Самолет И-16 тип 17 представлял собой И-16 тип 10. на котором крыльевые пулеметы ШКАС были заменены пушками ШВАК. Снарядные ленты укладывались вдоль лонжеронов центроплана на уровне шпангоута № 1 фюзеляжа. В местах установке пушек усилена конструкция крыла, съемная панель для доступа к пушке имела размеры 650x774 мм. На истребителях данной модификации, как и на И-16 тип 10. предусматривалось использование убираемого лыжного шасси.
Самолет И-16 тип 18 по сути представлял собой И-16 тип 10 с более мощным двигателем. На самолете усилена конструкция моторамы, введено бронирование топливных баков. Значительно доработана масло система, добавлен дополнительный маслобак емкостью 12 л при одновременном уменьшение объема основного маслобака до 23 л, увеличено проходное сечение воздухозаборника масло радиатора. Установлен новый карбюратор, выступающий за обводы капота двигателя.
На первой серии истребителей И- 16 тин 18 устанавливались винты фиксированного шага ВФШ и кок. аналогичный коку воздушных винтов истребителей И-16 тип 10. Позже самолеты стали комплектоваться винтами изменяемого шага ВИШ и новыми коками. разработанными специально для данных винтов. На самолетах последних серий монтировались воздушные винты АВ-1 и коки от винтов истребителей И-16 тип 24. Электрооборудование самолета запитывалось от 24-вольтовой аккумуляторной батареи 12А- 10. установленной в центроплане между третьим и четвертом шпангоутами. Для доступа к аккумулятору на нижней поверхности центральной секции фюзеляжа сделаны лючки.
Истребитель И-16 тип 27 представлял собой И-16 тип 17. переоснащенный двигателем М-62. Внесены изменения в конструкцию моторамы и маслосистемы по типу использованных при разработке И-16 тип 18.
Истребитель И-16 тин 24 являлся вариантом самолета И-16 тип 18, в конструкцию которого внесены изменения в соответствии с новыми Нормами летной годности, принятыми в 1937 г., а также проведен ряд других доработок:
1. винт изменяемого шага ВИШ АВ-1 и новый кок.
2. новые опоры шасси с двумя подкосами вместо трех и увеличенным ходом до 96 мм амортизаторов (на первых вариантах И-16 ход амортизатором составлял 30 мм. затем был увеличен до 36 мм).
3. замена хвостового костыля хвостовым колесом с масляно-пневматическим амортизатором.
4. замена пневматического привода уборки/выпуска посадочных щитков механическим.
5. по правому борту фюзеляжа устроена откидная дверца, конструктивно аналогичная имевшейся по левому борту.
6. установка ручного стартера для запуска двигателя.