Конечно, в эксплуатации у И-16, как и у любого нового самолёта, начали проявляться «детские болезни». Однако желание Поликарпова дать стране машину нового поколения помогало быстро устранять препятствия. Огромную роль в этом сыграл и Валерий Павлович Чкалов, продолжавший «отслеживать» новую машину. Однажды при посадке у его самолёта сломался подкос стойки шасси. Чкалов высказал Поликарпову свое мнение о том, что шасси сделано неправильно. Конструктор возражал. Ведь шасси было просчитано по всем нормам прочности. Однако Чкалов не успокаивался и пытался доказать конструктору, что в строевых частях летчики, осваивающие новый самолет, всегда будут совершать ошибки. А в подтверждение своих слов он тут же взлетел на другом самолете и на глазах у всех выполнил посадку так, как это делает любой новичок. В общем, изобразил классическую ошибку, «уронив» самолёт с высоты примерно в один метр, и аккуратно… сломал шасси еще раз.
Этой посадкой Чкалов сумел убедить Поликарпова в том, что элементы шасси нужно усиливать. Мало того, после этого инцидента вообще были пересмотрены сами нормы прочности для шасси самолетов!
Для того чтобы создать положительное впечатление о новых самолётах, командование ВВС решило провести то, что сейчас назвали бы «пиар — кампанией». Из лучших летчиков была собрана пилотажная группа на самолётах И-16, которая позже получила неофициальное название «Красная пятёрка» по основному цвету окраски своих машин. В неё входили В. Коккинаки, В. Шевченко, С. Супрун, В. Евсеев и Э. Преман. 1 мая 1935 г. группа истребителей промчалась над Красной площадью, а на следующий день летчики «Красной пятерки» устроили показательный групповой пилотаж в небе над Центральным аэродромом Москвы для специально приехавших туда членов правительства во главе с самим И.В. Сталиным. Кроме «Красной пятерки» сложнейший индивидуальный пилотаж на И-16 выполнил Валерий Чкалов. То, что новый самолет произвел неизгладимое впечатление на руководство страны, подтверждает такой факт: через три дня конструктор самолета Николай Поликарпов и летчик-испытатель Валерий Чкалов были награждены орденом Ленина — на тот момент высшей наградой советского государства.
В том же году самолёт под названием «Спортивный самолет с максимальной скоростью 467 км/ч» был отправлен на Миланскую авиавыставку, где, впрочем, особого фурора не произвёл, так как ни скоростные, ни летные данные этого «спортсмена» не казались иностранным экспертам выдающимися. Было непонятно, на что может рассчитывать этот короткокрылый бочонок, не обладающий ни достаточной дальностью полета, ни скоростью настоящих гоночных машин. О том, что это «замаскированный» под спортивную машину истребитель, иностранные специалисты тогда так и не догадались. Мало того, практически все сошлись во мнении, что отсталая советская Россия вообще не способна серийно строить подобные самолеты. А представленный образец является якобы всего лишь деревянным макетом.
А тем временем к августу в подразделения Военно-Воздушных Сил Красной Армии стали поступать первые истребители так называемой установочной войсковой серии. Эти самолеты, оснащенные пока еще старыми двигателями М-22, получили обозначение «И-16 тип 4» (И-16 стал четвёртым самолётом, который серийно выпускался на авиазаводе № 21).
Следующая модификация (И-16 тип 5), по сути, представляла собой тот же самый тип 4, только уже с 700-сильным двигателем М-25. Поэтому капот двигателя несколько изменился.
Тип 5 стал первым из модификаций «ишачков», побывавших за рубежом. Его звездный час пришёлся на 1936 г. — начальный этап гражданской войны в Испании, где моноплан Поликарпова (вместе с бипланом И-15) поставил на место господствовавшие до этого в воздухе немецкие истребители Хейнкель Не 51 из германского легиона «Кондор» и итальянские Фиаты C.R.32 из эскадрильи «Кукарача», а также положил конец дневным полетам вражеских бомбардировщиков.
Хорошие скоростные и маневренные качества И-16 позволяли ему не только летать быстрее всех прочих самолётов, применявшихся в Испании в начале войны, но и успешно вести маневренные воздушные бои с германскими и итальянскими истребителями-бипланами.
Надо сказать, что в Испанию отправлялись улучшенные самолёты, к которым во время сборки на заводе и последующей регулировки относились с повышенным вниманием. Да и моторы для них собирались в основном из американских деталей. Эти машины называли «И-16 тип 6».
За отличную маневренность испанцы дали этим самолетам прозвище «Моска» — мушка. Впрочем, появилось у И-16 во время боевых действий в Испании и еще одно прозвище — «Рата», что в переводе на русский язык означает «крыса», и которое до сих пор преобладает в зарубежной авиационной литературе.