Всего через месяц после начала войны Москва оказалась в пределах радиуса действия бомбардировщиков люфтваффе. Для защиты столицы был выделен 6-й истребительный авиационный корпус ПВО. Полки корпуса базировались на аэродромах, расположенных в радиусе 100–200 км от Москвы. По состоянию в составе 6-го ИАК числилось 783 истребителей, в том числе 223 И-16. В первом налете в ночь с 22 на 23 июля приняли участие 250 немецких бомбардировщиков. Истребители противника перехватили самолеты противника над пригородами Москвы. Часть бомбардировщиков отвлеклась на ложные цели. Советские истребители сбили 12 самолетов противника, еще десять бомбардировщиков записала на свой счет зенитная артиллерия Московской зоны ПВО. К столице сумели прорваться лишь отдельные рейдеры. Очередной налет состоялся уже на следующую ночь. Бомбардировщики пытались прорваться к Москве с 22 ч 10 мин до 2 часов ночи. Люфтваффе потеряли 15 самолетов.
К 15 августа в налетах на Москву немцы потеряли порядка 200 самолетов. ПВО столицы работало с высочайшем напряжением, летчики не останавливались не перед чем, лишь бы не дать авиации противника прорваться к городу. В ночь на 7 августа лейтенант Виктор Талалихин из 177-го ИАП, безрезультатно расстреляв весь боекомплект, таранил над Подольском Не-111. Советский летчик сумел выпрыгнуть с парашютом из потерявшего управления при столкновении с бомбардировщиков «ишачка». За первый в истории авиации ночной таран лейтенант Талалихин был удостоен звания Герой Советского Союза.
В начале сентября активность немецкой авиации заметно снизилась, масштаб налетов на Москву уменьшился. В этот период летчики И-16 добились наивысших успехов. Так, лейтенант Каменщиков из 126-го ИАП в первые дни войны сбил на И-16 в районе Белостока четыре немецких самолета. Затем, 7 и 10 июля, он сбил Bf.109 и Ju-88 в окрестностях Москвы. Его товарищ по полку лейтенант Степан Ридный сбил 10 июля Ju-88, на следующий день — Не-111, а 12 июля — два Ju-88.
Владимир Каменщиков и Степан Ридный Указом Президиума Верховного Совета Союза ССР от 9 августа 1941 г. были удостоены звания Герой Советского Союза. В конце октября на счету Ридного имелось 21 личная и 28 групповых побед и, в тот период он считался самым результативным летчиком-истребителем, летавшим на И-16.
Количество истребителей И-16 в составе ПВО Москвы постепенно снижалось. По данным на 1 октября 1941 г. в системе ПВО насчитывалось 117 И-16, в начале декабря их было уже 90. В конце зимы почти все И-16 передали из ПВО во фронтовую авиацию. Осенью 1942 г. в системе ПВО столицы имелось всего 13 «ишачков», весной 1943 г. — ни одного.