Разработку перспективного скоростного истребителя-моноплана Н.Н.Поликарпов начал летом 1932 года в инициативном порядке. В мае 1933 года ВВС проявляют интерес к проектируемуму самолёту и выдают Поликарпову на него задание. В ноябре 1933 года руководству ВВС показан деревянный макет ЦКБ-12. 22 ноября Совет Труда и Обороны СССР принимает решение о запуске самолёта в серийное производство под обозначением И-16. В конце года были построены 2 прототипа: с отечественным двигателем М-22 и американским Райт "Циклон" F-2. 30 декабря лётчик-испытатель завода №39 В.П.Чкалов впервые поднял ЦКБ-12 с двигателем М-22 в небо. В январе 1934 года состоялся полёт и второго прототипа. Испытания продолжались до октября. Одновременно шло освоение производства истребителя на заводах №39 в Москве и №21 в Горьком. В 1935 году И-16 экспонировался на международной выствке в Милане (как спортивный самолёт АСБ).
И-16 представлет собой свободнонесущий низкоплан с веретёнообразным коротким фюзеляжем и убирающимся шасси. Силовая установка состояла из поршневого звездообразного двигателя воздушного охлаждения, закрытым капотом NASA, с двухлопастным воздушным винтом. В процессе производства тип двигателя менялся. Начиная с типа 18 устанавливался винт переменного шага. Конструкция планера смешанная. Фюзеляж имел деревянный каркас (сосна, ясень), усиленный стальными подкосами, с обшивкой из берёзового шпона и миткалевого полотна. Основной силовой частью конструкции самолёта был центроплан, связывающий между собой крылья, фюзеляж, шасси и двигатель. Центроплан имел жёсткую ферменную конструкцию с деревянной и дюралевой обшивкой. Отъёмные части крыла имели аналогичную конструкцию. Лобовые части крыла обшивались дюралюминием, после чего всё крыло обтягивалось полотном. Место сочленения крыла и центровлана закрывалось дюралевой лентой шириной 100 мм. Элероны и хвостовое оперение имели дюралевый каркас и полотняную обшивку. Самолёты первых серий имели фонарь кабины, сдвигающийся вперёд. Начиная с типа 10 устанавливался неподвижный козырёк. Состав вооружения у самолётов разных типов был различным.
Существовали следующие модификации: ЦКБ-12 - прототип. Изготовлен на заводе №39. ЦКБ-12П (И-16П) - прототип пушечного истребителя. Изготовлен на заводе №39. ЦКБ-18 - опытный штурмовик. Отличался увеличенным размахом крыльев, бронезащитой кабины пилота, 4 крыльевыми пулемётами ШКАС или ПВ-1, бомбовым вооружением. Изготовлен в 1935 году. ЦКБ-29 (СПБ, "изделие164") - скоростной пикирующий бомбардировщик. Изготовлен в 1936 году. И-16 тип 4 (ЦКБ-12бис) - первый серийный вариант. Оснащался мотором М-22. Вооружение состояло из 2 крыльевых пулемётов ШКАС. Выпускался в 1934-1935 годах на заводах №39 и №21. Изготовлено 400 экземпляров. В 1934 году на заводе №21 выпускались самолёты И-5, ХАИ-1 и И-14. И-16 стал четвёртым типом, откуда и пошло его официальное обозначение. И-16 тип 5 - самолёт с двигателем М-25 (лицензионный Райт "Циклон" F-3). Капот двигателя оснащён лобовыми жалюзи, изменён механизм уборки шасси. Поставлялся в Испанию и Китай. И-16 тип 6 - истребитель с 3 пулемётами ШКАС (1 синхронный в нижней части фюзеляжа). В 1937 году на заводе №21 изготовлено 30 самолётов. И-16 тип 9 - штурмовик. Вооружение состояло из 6 пулемётов ШКАС. Испытывался в конце 1937 года. И-16 тип 10 - истребитель с 4 пулемётами ШКАС (2 синхронных в верхней части фюзеляжа). Оснащался форсированным двигателем М-25В и посадочными щитками. В зимнее время могли устанавливаться лыжи. Поставлялся в Испанию и Китай. В Испании часть самолётов (эскадрилья №4 под командованием А.Ариаса) была оснащена американскими двигателями Райт "Циклон" F-54 и кислородными приборами. Всего изготовлено 934 самолёта. И-16 тип 11 - штурмовик. Отличался неубирающимся шасси. Разработан на заводе №21. И-16 тип 12 - истребитель с пушечным вооружением. Оснащался 2 крыльевыми пулемётами ШКАС и 2 пушками ШВАК. Выпускался на заводе №21 в 1937-1938 годах. И-16 тип 17 - пушечный истребитель. Отличался размещением пулемётов ШКАС в фюзеляже и форсированным двигателем М-25В. Выпускался в 1938 году на заводе №21. Изготовлено 314 самолётов. И-16 тип 18 - истребитель с двигателем М-62. На заводе №21 в 1939 году изготовлено 177 самолётов. В тип 18 переоборудовано 134 ранее выпущенных И-16. Впервые применён на Халхин-Голе. И-16 тип 19 - вариант И-16 тип 10 с крыльевыми пулемётами СН. Выпускался с 1939 года. И-16 тип 20 - истребитель сопровождения с подвесными баками. Прошёл испытания в 1939 году. И-16 тип 24 - истребитель с двигателем М-63. Вооружение состояло из 4 пулемётов ШКАС. Выпускался на заводах №21 и №153. И-16 тип 27 - пушечный истребитель с двигателем М-62. Изготовлено 59 самолётов. И-16 тип 28 - пушечный истребитель с двигателем М-63. Изготовлено 293 самолёта. И-16 тип 29 - истребитель с 12,7-мм пулемётом БС и 2 синхронными ШКАС. Выпускался с 1940 года. И-16В - высотный. Отличался наличием турбокомпрессора. На заводе №156 переоборудовано несколько самолётов. И-16П - пушечный. Отличался двигателем Райт "Циклон". Вооружение состояло из 2 синхронных пулемётов ШКАС и 2 пушек ШВАК. Переоборудован из И-16 тип 5. И-16П (ЦКБ-12П) - пушечный. Отличался установкой 2 пушек в торцах центроплана. Переоборудован из И-16 тип 10. И-161 - модернизированный. Вооружение состояло из 4 крыльевых пулемётов ШКАС и 4 20-кг бомб. Разработан в 1935 году. И-161 (второй с таким обозначением) - облегчённый вариант И-16. Разработан в 1937 году. И-163-1 - эталон 1937 года. Отличался посадочными щитками. Масса снижена до 1600 кг. И-163-2 - вариант с посадочными щитками увеличенной площади. И-164 (И-16с) - истребитель сопровождения (сопроводитель). Оснащался двигателем М-25В и 2 дополнительными топливными баками. Испытывался в феврале 1938 года. И-165 (И-16бис) - модернизированный. Отличался двигателем М-62, новой конструкцией крыла, имненённой формой фюзеляжа, новым капотом двигателя и дополнительными топливными баками. Изготовлено 2 самолёта. И-166 - облегчённый до 1383 кг. Отличался двигателем М-25В, капотом NASA с регулируемой задней щелью и лобовым кольцевым маслорадиатором. УТ-2 (8211) - учебно-тренировочный (опытный). Отличался двухместной кабиной с общим фонарём. Разработан в начале 1935 года на заводе №21. Изготовлено 3 самолёта. УТИ-2 тип 14 - серийный учебно-тренировочный. Отличался раздельными кабинами и неубирающимся шасси. Оснащался двигателем М-22. Выпускался в 1935-1937 годах на заводе №21. УТИ-3 - учебно-тренировочный с двигателем М-58 (опытный). Построен и испытан в 1935 году. УТИ-4 тип 15 - учебно-тренировочный с двигателем М-25. Отличался убирающимся шасси. Выпускался на заводах №21, №153 и №458. Изготовлено 3189 самолётов. УТИ-4Б тип 15Б - боевой вариант УТИ-4. Вооружение состояло из 2 крыльевых пулемётов БС, 6 РС-82 и 2 50-кг бомб. Вторая кабина закрывалась дюралевым колпаком. Разработан на заводе №458 (эвакуированном в Баку) в 1941 году. C.8 - испанский вариант И-16. Вооружался 2 крыльевыми пулемётами ШКАС. Занимал промежуточное положение между типами 5 и 10. В 1938-1939 годах изготовлено 14 самолётов. Находился на вооружении в ВВС Испании до 1953 года. "Чжун 28-Цзя" - китайский вариант И-16. Отличался двигателем Райт "Циклон" R-1820-F, обшивкой из бамбука. В 1938-1939 годах изготовлено 3 истребителя и 30 двухместных учебно-тренировочных самолётов.
И-16 стап первым в мире массовым истребителем. Он выпускался на 5 заводах: №39 (Москва), №21 (Горький), №153 (Новосибирск, построен специально для И-16), №458 (Ростов-на-Дону) и №600 (Урумчи, Западный Китай). Ещё 14 самолётов изготовлены в Испании на заводе SAF-15 в Аликанте. Всего в 1934-1942 годах было выпущено 10292 самолёта различных модификаций (включая учебные). И-16 различных типов применялся в Испании, Китае, на Халхин-Голе, в совеско-финляндской войне и в начальный период Великой Отечественной. На 22 июня 1941 года И-16 всех типов составляли 26% истребителей в западных округах и почти половину в морской авиации). Истребители новых типов (ЛаГГ-3, МиГ-3, Як-1) ещё только начали поступать в войска и летать на них умели, в лучшем случае, командиры полков и эскадрилей. И-16 был самым освоеным рядовыми лётчиками истребителем и отражать первый натиск врага пришлось именно ему (вместе с поликарповским же И-153). В некоторых частях эти самолёты эксплуатировались до 1944 года. На Дальнем Востоке И-16 оставались в строю до августа 1945 года (на вооружении 888 иап).
На И-16 тип 5 совешили тараны: Жердев Н.П., Луковников С.А., Максименков С.Л., Путивко П.И., Тархов С.Ф.
На И-16 тип 10 совершили тараны: Губенко А.А., Кустов В.П., Михайлов Б.И., Мошин А.Ф., Попов А.Р., Скобарихин В.Ф., Шарай В.Е.
Разработку перспективного скоростного истребителя-моноплана Н.Н.Поликарпов начал летом 1932 года в инициативном порядке. В мае 1933 года ВВС проявляют интерес к проектируемуму самолёту и выдают Поликарпову на него задание. В ноябре 1933 года руководству ВВС показан деревянный макет ЦКБ-12. 22 ноября Совет Труда и Обороны СССР принимает решение о запуске самолёта в серийное производство под обозначением И-16. В конце года были построены 2 прототипа: с отечественным двигателем М-22 и американским Райт "Циклон" F-2. 30 декабря лётчик-испытатель завода №39 В.П.Чкалов впервые поднял ЦКБ-12 с двигателем М-22 в небо. В январе 1934 года состоялся полёт и второго прототипа. Испытания продолжались до октября. Одновременно шло освоение производства истребителя на заводах №39 в Москве и №21 в Горьком. В 1935 году И-16 экспонировался на международной выствке в Милане (как спортивный самолёт АСБ).