7 мая 1937 года прибыла вторая партия И-16 в количестве 31 машины, а 21 мая еще 17 истребителей и четыре УТИ-4. Одновременно с новой партией машин прибыла очередная группа советских летчиков, в основном из 142-ой авиабригады, базирующейся в Бобруйске, и шестьдесят молодых испанских парней, освоивших технику пилотирования И-16 в советской летной школе в Кировабаде.
Обе партии, состоявшие из боевых машин типа 5 были собраны и отправлены в летные части. Скоро произошел ряд загадочных катастроф — погибло несколько летчиков.
При тщательном расследовании выяснилось, что эти самолеты обладают недостаточной прочностью крыльев. При энергичном пилотировании концевая часть крыла в районе подвески элерона разрушалась и самолет становился неуправляемым.
В результате, 150 крыльев И-16 подверглись усилению конструкции и смене обшивки. Подвергались этой операции, в том числе, и 14 машин, прибывших 1-го июля. В прибывшей 10 августа 1937 года новой партии, состоящей из 62 И-16, усиления уже были внесены. Вообще, эксплуатация И-16 в Испании выявила целый ряд определенных недостатков самолета.
Колеса (750 х 100) оказались слишком узкими для испанских аэродромов — взлетать часто приходилось с обычных каменистых виноградников. При этом мелкие камни пробивали полотно низко расположенного горизонтального оперения. Колеса, впоследствии, стали ставить более толстые (750 х 150), а нижнюю поверхность стабилизатора и руля высоты обшивать двойным слоем авиаполотна.
Хуже оказалось с подвижным фонарем летчика, который мало того, что забрызгивало маслом, он и работал недостаточно надежно. Частенько фонарь самопроизвольно на большой скорости задвигался, поэтому скоро пилоты стали закреплять его постоянно в открытом положении, что хотя и ухудшало аэродинамику, однако добавляло уверенности в бою. Задняя центровка машины неожиданно сделала И-16 прямо-таки вездеходом — он не переворачивался даже при посадке на пашне.
Особым вопросом стало исследование живучести самолета. Во время боевых действий в Валенсии, в период с 9 марта по 8 апреля 1937 года были проведены целые исследования по этому вопросу. Вражеские пули пробивали только введенные бронеспинки (были это очевидно пули крупнокалиберных пулеметов итальянских C.R.32), протектирование бензобаков оказалось недостаточно эффективным и не всегда защищало от загорания.
Моторы М-25 засасывали во время руления по земле много пыли и быстро выходили из строя. Первоначально эти двигатели воздушного охлаждения эксплуатировались без маслорадиаторов — Испания показала необходимость установки последних. Жара была — это да, но и воевали пилоты отменно — летали на максимальных скоростях и двигатели при этом эксплуатировались на перефорсированных режимах. Мог разве кто в мирных условиях предположить, что в бою придется пикировать с высоты 3-4 километров практически до земли, а потом вновь карабкаться до самого неба ни на миллиметр не сдвигая на себя рычаг газа.
В целом И-16 показал себя неплохо. Высокая выносливость планера, простота устранения боевых и эксплуатационных повреждений привели к тому, что отдельные машины проходили по 4-5 капитальных ремонтов и налетывали по 350-400 часов. Из строя, как оказалось, в месяц выходило 34,5% самолетов, срок жизни одной машины составлял 87 дней. В ремонт при этом уходило 16,25%, полные потери составляли 18%. Совершенно особо отмечался тот факт, что в условиях сухого испанского климата дерево в конструкции самолета не было подвержено загниванию (в отличие от российских условий) и находилось в отличном состоянии.
Одним из основных недостатков И-16 была признана все таки его недостаточная огневая мощь. Основной противник «Моски» — итальянский истребитель Фиат C.R.32, как уже отмечалось выше, быстро доказал высокую эффективность своего бортового оружия. И это при явно худших летных характеристиках.
Стало ясно, что два пулемета ШКАС калибром 7,62 мм, несмотря на свою рекордную скорострельность, являются недостаточным вооружением истребителя. В Советский Союз ушел заказ на довооружение И-16. Доработка машины была проведена на заводе №21 бригадой инженеров под руководством конструктора Боровкова в течение одной ночи. Они установили третий синхронный ШКАС в нижней части фюзеляжа. Уже на следующий день самолет был испытан. Машина получила обозначение И-16 тип 6 и была изготовлена в количестве 30 экземпляров.

В Испанию тип 10 поступил впервые в марте 1938 года в количестве 31 экземпляра. В течение лета поступило еще 90 таких четырехпулеметных машин. Эти самолеты участвовали в воздушных сражениях в течение лета-осени 1938 года.
В этот период в Испанию попали 24 «контрабандных» американских высотных двигателя «Райт-Циклон» F-54. Этими двигателями оснастили самолеты эскадрильи №4, состоящей из 12-ти И-16 тип 10, которой командовал один из самых результативных испанских пилотов Антонио Ариас.
«Суперы», оснащенные двигателем, который развивал максимальную мощность на 7000 метрах, получили прекрасную возможность отыграться на немецких истребителях Bf. 109. Нужно сказать, что уже первые боевые столкновения И-16 и Bf. 109 весной 1937 года показали приблизительно равные возможности этих машин.
Однако так продолжалось лишь до 3-х километровой высоты, где мощность двигателя И-16 начинала падать, а двигатель Bf. 109 сохранял мощность до подъема на высоту 5000 метров. Данное преимущество позволяло пилотам «Мессершмиттов» практически всегда занимать более выгодную позицию.
После установки высотных двигателей на самолеты 4-ой эскадрильи, летчики стали летать с кислородными масками, за что их прозвали эскадрильей «сосунков». 18 сентября 1938 года в воздушном бою над рекой Эбро, две шестерки «сосунков» внезапно атаковали сверху две восьмерки «Мессершмиттов» и сбили четыре из них. Всего в этом групповом бою, в котором участвовали также невысотные И-16 и И-15, было сбито 11 неприятельских самолетов.
Это, однако, были уже одни из последних удачных боевых действий. До конца 1938 года советские летчики были отозваны на родину, а поставки самолетов практически прекращены. Всего в период 1936-1938 г.г. в Испанию было отправлено 455 И-16 и 20 УТИ-4. Дошло соответственно 422 и 4 машины. За этот период было задержано 96 советских судов с поставками военных грузов. Три судна «Комсомолец», «Тимирязев», «Благоев» были потоплены. Сложность доставки военных грузов впрочем предугадывалась с самого начала.
Поэтому еще в 1936 году в Испанию была направлена техническая комиссия с целью оценки возможности производства самолетов на месте. Комиссия обследовала 16 заводов и уже 22 января 1937 года направила наркому авиационной промышленности СССР М.М.Кагановичу обстоятельный документ с положительной оценкой.
Для серийного изготовления в Испании был выбран, однако, биплан И-15. Именно этот самолет был обеспечен технической документацией и материалами из СССР. И-16, который был все таки предпочтительней, ввиду более высоких характеристик, стали строить нелегально.
С готовых самолетов, запасных частей были сняты чертежи и восстановлена технология изготовления. О стремлении выпускать И-16 говорит тот факт, что у испанского руководства существовал план выпуска 1000 таких истребителей.
Летом 1938 года производство И-16 тип 10 было развернуто на авиазаводе SAF-15 в Аликанте. До конца года завод закончил 4 машины, обозначенные Сн-001 — Сн-004. Эти первые И-16 испанской постройки были, однако, вооружены лишь двумя крыльевыми пулеметами, поэтому занимали промежуточное положение между типом 5 и 10. По сути они являлись первыми и последними, ибо остальные 10 машин этой серии после падения республики достались националистам. Вместе с захваченными боевыми И-16, они вошли после войны в базирующуюся на Мальорке Grupo 26, состоящую из 22 самолетов. В 1941 году до летного состояния были доведены еще 28 машин. В 1948 году самолеты типа И-16 получили обозначение С.8. Используясь в основном в летных школах, С.8. просуществовали в испанской авиации до 1953 года.
Заканчивая «испанский эпизод» хотелось бы отметить, что именно И-16 выполнили роль «загонщиков» в случае пленения интересующих советскую сторону немецких самолетов. 4 декабря 1937 года был принужден к посадке немецкий истребитель Bf. 109B. Менее, чем через две недели, 17 декабря, такая же участь постигла экипаж бомбардировщика Не-111. Оба трофея были затем переправлены в Советский Союз, где их тщательным образом обследовали и испытали в 1938 году.