Все лето специалисты завода и ЦКБ работали над улучшением конструкции шасси. На новый прототип поставили мотор «Циклон F3», доработали механизм уборки шасси, но, самое главное, был установлен новый капот двигателя типа «Уоттер». Втулку воздушного винта закрыли коком, был увеличен размах крыла. Начиная с этой машины, обшивку плоскостей крыла всех последующих И-16 станут делать из дюраля.
Учитывая первоначальную боязнь штопора крылья первых двух прототипов оборудовали предкрылками. Имеющиеся в распоряжении исследователей документы говорят о том, что на третьем прототипе предкрылки отсутствовали.
7 сентября 1934 г. новый самолет перевезли на аэродром Щелково, где находился НИИ ВВС. Государственные испытания продолжались до 12 октября. Заключение по результатам испытания оказалось более категоричным и менее приятным.
Отмечалось неудовлетворительное изготовление ряда узлов самолета.
Алкснис потребовал установить на самолет вооружение, поскольку без пулеметов И-16, естественно, не мог считаться истребителем. Полученная на высоте 3000 м максимальная скорость в 437 км/ч уже не устраивала хотевших большего военных. Установка разработанного в Советском Союзе двигателя М-58 с меньшим, чем у «Циклона», миделем могла обеспечить самолету получение максимальной скорости 470 км/ч в горизонтальном полете у земли. Вариант И-16 с мотором М-58 так и не был построен.
В это время начался серийный выпуск истребителей И-16 на Государственных авиационных заводах № 39 в Москве и № 21 в Горьком. Первый был назначен головным, здесь предстояло изготовить установочную партию из 50 самолетов. В январе-апреле 1934 г. вся конструкционно-технологическая документация по истребителю была отправлена в Горький. Несмотря на то, что серийный выпуск истребителей И-5 в Горьком близился к завершению, завод № 21 затягивал выпуск И-16. Зато велась подготовка к серийному производству самолетов ХАИ-1 и И-14, заказанных ранее. Работы по подготовке серии И-16 на заводе № 21 начались не ранее 17 июля. Плановым заданием до конца года в Горьком предстояло изготовить 250 истребителей И-16. Данный фантастический план конечно же не был реализован, до 31 декабря завод не сдал ни одного И-16.
Истребителю И-16 предстояло вслед за И-5, ХАИ-1 и И-14 стать четвертым типом самолета, освоенным на заводе № 21. Первая модификации ставшего впоследствии знаменитым истребителя оснащалась мотором М-22 и получила обозначение «И-16 тип 4». Выпуск И-16 тип 4 продолжался весь 1935 г. С учетом производства завода № 39 было изготовлено порядка 400 И-16 тип 4. Эти самолеты не экспортировались за пределы Советского Союза и не принимали участия в воздушных боях над Испанией или Китаем, однако в 1941 г. тип 4 все еще имелся на вооружении учебных авиационных полков ВВС РККА и даже сражались с самолетами люфтваффе.
Довольно точно можно установить количество истребителей И-16 тип 4 производства завода № 39. По данным ЦКБ в 1934 г. в Москве изготовили пятьдесят самолетов с заводскими номерами от 123901 по 123950 («12» — ЦКБ-12, «39» — завод № 39, «1-50» — номер самолета). Еще по четыре И-16 тип 4 завод № 39 построил в 1935 и 1936 г.г., последний имел заводской номер 123958. Ни в коем случае нельзя считать все эти самолеты копиями прототипа с мотором М-22. В их числе было несколько экспериментальных машин, в том числе пять истребителей, изготовленных специально для пилотажной группы, «Красной пятерки».
По мере расширения объема летных испытаний, с началом серийного производства информация о новом самолете распространялась по все большему кругу людей. Персональный интерес к И-16 проявил Хозяин, Иосиф Сталин. В один из ноябрьских дней 1934 г. на Ходынское поле въехала колонна лимузинов. На аэродром прибыли Сталин. Орджоникидзе. Каганович, Микоян и прочие боссы партии и правительства калибром помельче. Вождь пожелал увидеть новейший истребитель в воздухе. Валерий Чкалов поразил присутствующих каскадом фигур высшего пилотажа. Эпизод с приездом Сталина на Ходынку стал хрестоматийным, не раз и не два его (эпизод) эксплуатировали киношники, писатели, журналисты. В полете у Чкалова заклинил механизм выпуска шасси. Летчик заставил опоры встать на замки серий маневров с большими перегрузками. После успешной посадки Сталин попросил подвести к нему летчика. Прямо у крыла И-16 состоялась беседа вождя не только с Чкаловым, но и другими пилотами, летавшими на И-16, с представителями ВВС, КБ и заводов. К этому времени на И-16 уже слетали примерно 20 пилотов, частью эти полеты носили официальный характер, частью — давали полетать «по дружбе».
