Они предлагали установить на И-16 новый отечественный мотор М-58 уменьшенного диаметра и добиться максимальной скорости 470 км/час. Вариант этот, кстати, был осуществлен, но развития не получил.
Серийное производство истребителя разворачивалось на заводах №39 в Москве и №21 в Нижнем Новгороде. Головной московский авиазавод получил на 1934г. план изготовления 50 самолетов.В период с января по апрель 1934 года отсюда в Нижний Новгород были отправлены все чертежи для серийной постройки. Хотя там уже заканчивали изготовление истребителя И-5, производственные мощности вовсе не были свободны. Практически до середины лета, 21-й завод возился с внедрением в серию самолетов ХАИ-1 и И-14. Только 17 июля здесь приступили наконец к работе по И-16. До конца года завод должен был изготовить 250 таких истребителей. Этим фантастическим планам сбыться суждено не было.
И-16 стал на заводе №21 четвертым типом выпускаемой продукции после И-5, ХАИ-1, И-14. Первые самолеты, оснашенные двигателями М-22 получили таким образом обозначение — тип 4. Эти машины выпускались заводом в течении всего 1935 года. В общей сложности, вместе с выпущенными однотипными И-16 на московском авиазаводе, суммарное количество истребителей, оснащенных М-22, составило 400 экземпляров. Тип 4 не применялся в «командировках» — Испании и Китае — однако оставался в небольших количествах в строевых частях и летных школах к моменту нападения Германии на Советский Союз. Вполне возможно поэтому, что отдельные экземпляры И-16 тип 4 принимали участие в боевых действиях летом 1941 года. И-16, выпускаемые авиазаводом №39, имели обозначение в соответствии с порядковым номером ЦКБ. В течении 1934 года здесь выпустили 50 самолетов И-16, имеющих серийные номера с №123901 по №123950 (что означало — ЦКБ-12 выпуска завода №39 номер такой-то). В 1935-36 годах московский завод выпустил еще 8 машин (по четыре экземпляра ежегодно), закончив на №123958. Конечно все эти И-16 вовсе не являлись дублированием опытной машины М-22. Однажды в ноябре 1934 года на Ходынку прибыли роскошные правительственные автомобили. Приехали Сталин, Орджоникидзе, Каганович, Микоян и другие партийные руководители. Интересовались И-16. В самолет сел Чкалов и от души открутил весь пилотаж перед правительственной делегацией. Когда пришло время приземляться, капризное шасси как обычно застряло на выходе. Чкалов, уже неоднократно проделывая это ранее, дожал шасси перегрузкой, крутанув несколько эффектных «мертвых» петель.

Самолет №54 (№ 123954), выпущенный 25 апреля 1935 года подвергся тщательным заводским испытаниям. Имея полетный вес 1432 килограмма, он развивал скорость на трехкилометровой высоте 456 км/час.
В период с 28 августа по 3 ноября 1935 года 10 самолетов И-16 выпуска завода №39 проходили войсковые испытания в 107 авиаэскадрилье Брянской авиабригады. Военные летчики изучали все слабые и положительные стороны самолета, все возможные варианты его боевого применения. Выяснилось например, что опускаемые на взлете элероны (И-16 тип 4 и тип 5 обладали механизмом дифференциального опускания элеронов, в таком виде они осуществляли функцию закрылков) действительно ощутимо сокращают дистанцию взлета и посадки. Это заключение было весомым аргументом для сторонников И-16, ибо работы по расширению действующих аэродромов для новых истребителей только велись.
В оценке пилотирования говорилось, что «управление самолетом легкое, чувствительно реагирует на малейшее движение рулей, малейших ошибок не прощает. Такая высокая чувствительность самолета на малейшие движения ручки управления затрудняла пользование гашетками пулеметов, оснащенных механическим спуском — требовался более мягкий электроспуск. Бочку И-16 крутил за 1-1,2 секунды, причем самолет всегда можно было зафик¬сировать и в промежуточном положении. Отметили армейские пилоты (как и несколько ранее испытатели), что при полетах на максимальной скорости верхняя обшивка крыльев отсасывается потоком и как бы вспучивается.
Особое внимание было уделено проведению штопора. Вот оценка: «Самолет штопорит хорошо на всех высотах. После каждого витка заметна тенденция самолета выйти из штопора. Cлучаев отказа управления при штопоре не было». Общая оценка самолета гласила: «Обладает отличными пилотажными качествами».