Серия испытаний, проведенная в 1939 г., показала — улучшить характеристики И-16 как истребителя невозможно. Однако стоит попробовать добиться лучших пикирующих свойств самолета. Для этого следовало стабилизатор устанавливать с небольшим положительным углом атаки. Исследования показали, что комбинация задней центровки и нейтральной установки стабилизатора создавала слишком большие усилия на ручке при переводе летчиком самолета в пикирование. На истребителей первых серий этот недостаток проявлялся не так явно, поскольку они не имели бронеспинок, аккумуляторных батарей, радиостанций, проще говоря — у них центр тяжести находился ближе к носовой части, чем у И-16 поздних выпусков, на которых центр тяжести находился на 35 % длины средней аэродинамической хорды крыла. Испытания, проведенные в 1939 г., показали, что зона неустойчивости самолета на режиме пикирования с убранным шасси начинается при смещении центра тяжести на 32–33 % длины средней аэродинамической хорды крыла. Летчик-испытатель капитан Хабаровский разбился на И-16 заводской номер 1021101 когда центровка самолета составляла 33,6 % САХ. В результате было принято решение ограничить центровку строевых истребителей значением 33 % САХ. Неустойчивость по тангажу на И-16 преодолеть так и не удалось, самолет оставался неустойчивой платформой для ведения прицельной стрельбы. Проблема заключалась в изначально неверном распределении массы планера.
В 1939 г. летчик-испытатель Станкевич отлетал на И- программу по теме ЦАГИ «Определение усилий на ручке управления, педалях и рулях». Станкевич писал в отчете:
— Самолет нестабилен, усилия на ручке составляют 4–5 кг при отклонении ручки вперед, поддерживать крейсерскую скорость полета постоянной, не прибегая к изменению числа оборотов двигателя, крайне утомительно для летчика. Выполнение фигур высшего пилотажа затруднено. С выпуском посадочных щитков устойчивость по каналу тангажа ухудшается, от летчика требуется прилагать к ручке большие усилия. Выпуск щитков провоцирует самолет к опрокидыванию на хвост, из-за чего приходится отдавать ручку от себя, что в свою очередь способствует переходу самолета в пикирование. При выходе на большие углы атаки неустойчивость проявляется внезапно. На взлете самолет хвост отрывает неохотно, иногда чтобы оторвать хвост приходится давать ручку от себя. В наборе высоты с постоянным углом тангажа самолет имеет тенденцию к сваливанию вправо, в этом случае парировать правый крен элеронами не всегда возможно.
Несмотря на многочисленные отрицательные отзывы и несоответствие летных характеристик И-16 характеристикам новейших зарубежных истребителей, правительство приняло решение продолжить в 1940 г. серийный выпуск самолета. В 1940 г. выпуск И-16 достиг своего пика, хотя завод № 21 готовился к освоению И-180.