Поэтому серийное производство в 1933 г. решили базировать на улучшенной модели, так называемом эталоне 1933 г. (он же И-5бис). Его постройку возложили на завод № 21, который обязали представить готовую машину к 25 декабря 1932 г. Военные требовали облетания самолета на 100-150 кг и улучшения летных характеристик, в первую очередь скорости полета.
Эталон 1933 г. в срок готов не был. Он вышел на испытания лишь летом 1933 г. Истребитель стал не легче, а, наоборот, тяжелее – масса пустого самолета на колесах возросла до 1002 кг. Это явилось оборотной стороной тех усовершенствований, что были внесены в конструкцию и оборудование машины. Новый вариант внешне отличался каплевидными обтекателями на колесах и металлическим (дюралевым) винтом меньшего диаметра (2,7 м). Шаг нового винта можно было регулировать, выставляя его на земле в положения для малого и большого шага. Кока на втулке винта теперь не было. Поликарпов оптимизировал параметры кольца Таунснда, снизив его лобовое сопротивление. Резко усилилось вооружение: пулеметов ПВ-1 стало четыре (еще одну пару расположили тоже по бортам фюзеляжа, но выше оси самолета), увеличился их боезапас, четыре бомбы по 10 кг теперь подвешивались на держателях Д-1 под нижним крылом. (Два пулемета и бомбы засчитывались в перегрузку.)
Еще больше изменений внесли во внутреннее оборудование машины. Сменили подогреватель и бензопомпу. Предусмотрели установку фотоаппарата АФА-14 и радиостанции 15-СК. В кабине появилась по-новому скомпонованная приборная доска (раньше, например, летчики жаловались на то, что ручка управления закрывает компас). Набор приборов, правда, остался по-прежнему небогатым: тахометр, масляный термометр, два манометра (масло и бензин), указатель скорости, «Пионер» (указатель курса), высотомер, часы и компас. На И-5 не было даже бензиномера!
Но главной изюминкой эталона 1933 г. были поворотные стойки. Это были вращающиеся обтекатели на стойках, выполнявшие функции дополнительных рулевых поверхностей при выходе из штопора. Они значительно увеличивали момент, прекращающий вращение. При попадании в штопор пилот должен был открыть внешнюю по отношению к описываемой спирали стойку. Впервые это устройство испытали на переделанном старом И-5 из пробной серии завода №39 в мае 1933 г. При правильном управлении стойками запаздывание уменышшось вдвое, но механизм был тяжеловат и не очень надежен: на испытаниях его трижды заедало. Эталон 1933 г. на испытаниях продемонстрировал увеличение скорости горизонтального полета на высотах до 3000 м (только обтекатели колес дали прирост в 9 км/ч), но ухудшились скороподъемность и маневренность, а выше 5000 м упала и максимальная скорость. Подвеска бомб уменьшала скорость еще на 7-8 км/ч. Подверглись критике и поворотные стойки. Сочли, что они неоправданно утяжеляют конструкцию, хотя и уменьшают время запаздывания при выходе из штопора, но трудность управления ими не окупает выгоды. Более того, при ошибочном открывании внутренней стойки самолет не выходил из штопора вообще.