Для использования в качестве боевой машины конструкция учебно-тренировочного УТИ-4 была пересмотрена, в частности под фюзеляжем смонтировали два пулемета БС, а под плоскостями крыла по три направляющие для РС-82 или пилоны, позволявшие подвешивать авиабомбы массой до 50 кг. В кабине летчика устанавливался прицел ПБП-1, позволявший вести прицельное бомбометание и огонь по воздушным целям. Боевой вариант проходил испытания на аэродроме 480-го авиаполка в Касли и на аэродроме 26-го авиаполка, который дислоцировался в 60 км от Баку.
С точки зрения наступательной мощи «военизированный» вариант УТИ-4 превосходил все другие модели И-16. В данный вариант было можно конверсировать все ранее построенные УТИ-4. Испытания самолета завершились в январе 1942 г., но данные о серийном выпуске И-16 «тип 15В» отсутствуют. Всего же завод № 458 изготовил 83 самолета (данные — спорные). В любом случае они стали самыми последними сошедшими с конвейера истребителями И-16.
В 1941 г. ВВС РККА получили 150 дополнительных истребителей И-16 из Китая, самолеты были собраны на заводе в Урумчи. Завод в Урумчи был построен с помощью советских специалистов специально для сборки И-16. К 1941 г. поставки И-16 для китайских ВВС по воздуху прекратились. Самолеты разбирались, перевозились до Урумчи автотранспортом и собирались вновь. Сборочный завод стал известен как завод № 600. Для 1941 г. это было в высшей мере современное предприятие. Завод имел собственную электростанцию и автономную систему водоснабжения. В апреле на заводе находилось 143 И-16, истребители хранились в Урумчи уже несколько месяцев, поэтому было принято решение вернуть их в СССР. Самолеты собирали, облетывали и по воздуху перегоняли в Алма-Ату. К сентябрю в Советский Союз из Китая вернулось 111 истребителей И-16; один самолет разбился в горах в ходе перелета из Китая. До конца года в Алма-Ату прибыли еще 30 истребителей и две спарки. В 1941-42 г.г. завод № 600 продолжал выпускать запасные части к И-16, однако не изготовил и не собрал ни одного самолета.
В начале 40-х годов предпринималось несколько попыток продлить век устаревшего «ишачка». Так в 1942 г. в Иркутске на заводе № 163 изучалось новые деревянные крыло и хвостовое оперение. В 1943 г. руководство завода обратилось в наркомат с предложением восстановить выпуск истребителей И-16, но с новыми крыльями и хвостовым оперением. Предложение иркутян не вызвало энтузиазма в наркомате авиационной промышленности.
Самолет И-16 стал первым в мире массовым истребителем-монопланом с убирающимся шасси. С 1934 по 1942 г.г. было построено 10 292 И-16 всех типов, включая двухместные варианты: