«Красная пятерка» стала непременным атрибутом разнообразных торжественных массовых мероприятий. Однако, группа выполняла и вполне конкретную задачу: показать товар лицом летчикам, которым предстояло летать на И-16. Во второй половине 1935 г. группа демонстрировала групповой пилотаж во многих строевых истребительных авиационных полках. Надо, сказать к И-16 рядовые пилоты ВВС относились с опаской. Яркое зрелище помогло сломать недоверие к скоростным монопланам. Все участники группы и главный конструктор самолета Н.Н. Поликарпов были награждены орденами Ленина и получили по легковому автомобилю М-1.
Завершение истории первой советской пилотажной группы оказалось трагическим. В ходе обычного тренировочного полета 1 августа 1937 г. столкнулись два самолета, один из летчиков (Евсеев) погиб. Первая пилотажная группа стимулировала появление нескольких «Красных пятерок» (ветераны вспоминают, что пилотажные пятерки имели, как минимум, все военные округа Советского Союза). «Пятерки» летали на И-16 до 1940 г., через эти группы прошло множество летчиков, отточив здесь до совершенства владение самолетом. Пилотажники пользовались в кругу коллег высочайшей репутацией за уровень профессионального мастерства.
Серийное производство истребителей И-16 началось в 1934 г., но запланированных объемов выпуска удалось достигнуть лишь в 1935 г. К этому времени появилась возможность поставить на И-16 двигатели М-25, представлявшие собой копию американского мотора воздушного охлаждения Райт «Циклон 3». Выпуск двигателей «Циклон 3» был налажен в Перми на моторостроительном заводе № 19. В 1935 г. завод изготовил порядка 600 двигателей М-25, большинство было собрано из деталей американского производства.
Новый вариант истребителя был запущен в серию в Москве на заводе № 39. Как раз первые пять серийных самолетов и получила знаменитая пилотажная группа. Первый самолет выпущен заводом 25 апреля 1935 г. При взлетной массе в 1432 кг новый вариант истребителя развивал максимальную скорость в 456 км/ч на высоте 3000 м. Конструктивно он был близок третьему прототипу, оснащенному мотором Райт «Циклон F3», однако имел новый капот двигателя, аэродинамическую компенсацию элеронов, полотняную обшивку рулей высоты и руля направления. Самолеты с моторами М-25 известны как «И-16 тип 5». Их серийное производство наладили на заводе № 21 в Нижнем Новгороде. Завод уже полностью переключился на выпуск истребителей И-16. Конструкторский отдел завода самостоятельно разработал ряд изменений в конструкции самолета. К примеру, в 1934 г. в Горьком создали для И-16 новый механизм уборки шасси. Испытания механизма уборки шасси на И-16 с заводским номером 42111 дали положительные результаты, после чего механизм внедрили на все другие истребители И-16, включая уже построенные.
Параллельно с серийном выпуском самолетов И-16 тип 5 велась работа по усилению вооружения истребителя путем установки пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм. Пулемет ШКАС был разработан в 1932 конструкторами-оружейниками Шпитальным и Комарицким, на тот момент ШКАС являлся самым скорострельным оружием в мире (скорострельность 1800 выстрелов/мин). Серийный выпуск пулеметов ШКАС и истребителей И-16 начался одновременно, но «сырое» еще оружие не стали устанавливать на боевые самолеты. По сравнению с авиационным вариантом Максима, пулеметом ПВ-1, ШКАС стоил в пять раз дороже (5000 рублей за пулемет), но зато был вдвое легче и обладал удвоенной скорострельностью. Поначалу крыльевые ШКАСы постоянно заедали. Причем заедали так часто, что с первых серийных вооруженных ШКАСами истребителей в полках пулеметы просто демонтировали. Причина отказов оказалось в следующем: инженеры, отвечавшие за установку вооружения, неудачно расположили пулеметы в крыле. Со временем от дефекта установки вооружения удалось избавиться.
Изготовленные заводом № 39 в период с 28 августа по 3 ноября 1935 г. истребители поступили на вооружение 107-й эскадрильи брянской бригады. Одновременно с началом поступления в войска скоростных истребителей-монопланов, обладавших высокими для того времени посадочными скоростями, в стране развернулась программа по удлинению взлетно-посадочных полос аэродромов.
