Первое боевое крещение И-16 получил в 1936 г. в небе Испании. Всего туда было отправлено 455 истребителей типов 5 и 10, УТИ-4. Кроме того, на республиканских заводах до 1 января 1939 г. выпустили 7 И-16 и 2 УТИ-4.
В воздушных боях И-16 имел полное превосходство над истребителями путчистов "Хейнкель-51" и "ФиатСР-32". Один из летчиков легиона "Кондор" вспоминал: "Мы вдруг поняли всю серьезность положения. Наши старые "Хейнкели-51" были слишком медлительны по сравнению с этими новыми "крысами".* Это казалось невероятным, но они поднимались выше нас и могли играть с нами, как им захочется".
В феврале 1937 г. в Испании появились первые серийные "Мессершмитты" ВF-109В-1, а несколько позднее -ВF-109В-2 и Bf-109C. Схватки с ними показали, что при почти равном вооружении эти самолеты не превосходят И-16 в скорости, уступают ему в скороподъемности, но имеют преимущество на виражах. Bf-109 выполняли установившийся вираж при отклоненных закрылках на скорости 170-180 км/ч, а И-16 -на 220 -240 км/ч, и радиус виража у него получался больше. В целом по сумме боевых качеств эти машины были близки. Но весной 1938 г. началось производство Bf-109D-1, а в начале 1939 г. – ВF-109Е-1, оснащенных значительно более мощными двигателями и вооруженных, кроме пулеметов, одной – двумя 20 мм пушками. Скорость этих машин доходила до 540 км/ч, и бороться с ними на И-16 стало очень трудно.
Осенью 1937 г. в Китае И-16 встретились в воздушных боях с японскими истребителями-монопланами А5М (И-96), а в 1939 г. на ХалхинТоле – с Ки-27 (И-97). Эти машины, в которых конструкторы стремились совместить качества скоростного и маневренного истребителей, имели неубирающееся шасси, малую удельную нагрузку на крыло, высокую маневренность, были просты в технике пилотирования. И-16 превосходил И-97 по боевой живучести, обладал более прочной конструкцией, лучшими пикирующими свойствами, до высоты 5 км имел превосходство в скорости и скороподъемности, но уступал в маневренности. В целом японские самолеты оказались серьезными противниками.
К 1941 г. И-16 окончательно устарел, но именно ему пришлось вынести основную тяжесть воздушных боев начального периода Великой Отечественной войны. Хорошо освоенные летным и техническим составом, И-16, особенно с пушечным вооружением, в опытных руках были достаточно грозным оружием. Именно на них многие известные летчики одержали свои первые победы. На этих машинах воевал и истребительный авиаполк, ставший первым Гвардейским. По статистике командования ВВС, летом 1942 г. чисто боевые потери на один самолето-вылет на И-16 были даже несколько ниже, чем на Як-1. Но ввиду изношенности матчасти на И-16 было много потерь во внебоевой обстановке. Поэтому в порядке возрастания потерь самолеты располагались так: Як-1, И-16, МиГ-3, И-153, ЛаГГ-3 и т.д.
О боевом применении "ишаков", которые состояли на вооружении вплоть до 1943 г., рассказывают многие книги и статьи. Редко какое историческое исследование, посвященное Великой Отечественной войне и ей предшествующим конфликтам, обошлось без хотя бы упоминания об этом знаменитом истребителе.
Из многочисленных экспериментальных вариантов И-16 следует отметить такие. ЦКБ-18 – штурмовик с бронированной кабиной и мотором М-22. Вооружение – четыре пулемета ШКАС в крыле и 100 кг бомб. И-16 тип 20 был построен для испытания подвесных баков. На И-16 с.о., И-16 БС отрабатывалась установка синхронных крупнокалиберных пулеметов БС, ТКБ-150, а на И-16 ПС – синхронных пушек ШВАК.
На отдельных типах И-16 для повышения высотности двигателя предпринимались попытки установить турбокомпрессоры. С двумя ТК-1 и.мотором М-25В И-16 показал скорость 494 км/ч на высоте 8600 м, а с М-62 – 520 км/ч на высоте 10000 м. Это самая большая скорость, реально полученная на И-16. К сожалению, довести турбокомпрессоры до рабочего состояния удалось только в 1947 г. на АШ-73ТК, с использованием американского опыта (на бомбардировщике Ту-4).
Всего, учитывая и нереализованные проекты, существовало более 50 модификаций И-16. Среди них: И-16М с размахом крыла 10 м, И-16 М-64. И-16 М-58, И-16 "Гном-Рон К-9", И-16 Тном-Рон 14К", И-16ГК, И-161, И-162.И-163. И-164*, И-165, И-166, И-167, Последние проекты предусматривали установку перспективных двигателей, и именно от них берет начало И-180. Так, к примеру, на И-164-1 планировали установку М-25Е и М-62, а И-164-И двигателя М-88.
