В ходе серийной постройки на тип 5 поэтапно установили колеса 700x150, неподвижный козырек вместо сдвигаемого фонаря, отъемные консоли с более частым шагом нервюр и уменьшенным по размаху элероном. Эти внесенные изменения объясняются тем, что тип 5 продолжал выпускаться параллель¬но с более поздними типами. И-16 тип 6 с мотором М-25А. Малочисленная модификация самолета, примененная в Испании. Добавлен третий синхронный пулемет «ШКАС» в нижней части фюзеляжа.
И-16 тип 10 с мотором М-25В. Этот самолет явился крупной модификацией И-16 после трех лет серийного выпуска и имел следующие основные отличия:

  1. Поставлен двигатель М-25В увеличенной мощности.
  2. Вооружение дополнилось двумя верхними синхронными пулеметами «ШКАС»,
     заключенными в выступающие обтекатели.
  3. Сдвижной фонарь заменен неподвижным козырьком с каркасом из нержавеющей
    стали.
  4. Оптический прицел ОП-1 («Альдис») заменен на коллиматорный прицел ПАК-1.
  5. Планер самолета подвергся значительным изменениям. Зашивка консоли
     крыла дюралем увеличена до 44,5% сверху и до 14,5% снизу. 
     Количество нервюр на верхней поверхности крыла увеличено.
  6. Убран механизм зависания элеронов. Уменьшение посадочной скорости 
     достигается установкой посадочных щитков. В связи с этим, размах элеронов
     уменьшился. Большая часть самолетов тип 10 выпускалась с посадочными
     щитками, открываемыми при помощи воздушной системы. Начиная с весны
     1939 года, с самолета № 102175 ставится механический выпуск 
     посадочных щитков.
     Обследовали и испытали в 1938 году.
  7. Усиление планера самолета в соответствии с нормами прочности
     1937 года коснулось усиления управления самолетом. Поставлена новая,
     более прочная ручка управления.
  8. Изменена маслосистема, поставлен маслорадиатор диаметром 6 дюймов.
     В связи с этим в нижней части капота появился подводящий патрубок
     скоростного напора для охлаждения радиатора.

И-16 тип 12 с мотором М-25А. Малочисленная модификация самолета, на базе тип 5 с установленными дополнительно к пулеметам «ШКАС» двух крыльевых пушек «ШВАК».
И-16 тип 14 с мотором М-22 (УТИ-2). Двухместный учебно-тренировочный самолет без вооружения.
И-16 тип 15 с мотором М-25А — 25В (УТИ-4). Двухместный учебно-тренировочный самолет без вооружения. Ручное управление самолетом и мотором двойное. Подъемник шасси и механический указатель подъема шасси установлены в задней кабине. В связи с отсутствием вооружения, на центроплане отсутствуют люки его обслуживания. В ходе серийного изготовления УТИ-4 подвергался некоторым изменениям. Машины с М-25В имели патрубок маслорадиатора на лобовой части капота, шасси со шлицевой стойкой впоследствии заменены на шасси с двузвенником, костыль с резиновой амортизацией — на костыль с амортизацией масляно-пневматической.
Часть УТИ-4 оснащалась воздушным винтом АВ-1 с законтренным механизмом изменения шага. Начиная с машины №1521109, на УТИ-4 устанавливались небольшие центропланные бензобаки емкостью 35 л каждый. Часть УТИ-4 с января 1939 года была выпущена с оборудованием для ночных полетов и неубираемыми шасси.
И-16 тип 17 с мотором М-25В. Явился разновидностью типа 10 с заменой крыльевых пулеметов «ШКАС» пушками «ШВАК». Питание пушек осуществляется через рукава, проложенных за первой рамой фюзеляжа, и далее вдоль переднего лонжерона центроплана. В верхней части фюзеляжа расположен люк для укладки снарядной ленты, для этой же цели над люком сделан вырез в задней кромке верхней части капота. В связи с установкой пушек центроплан подвергся усилению, верхний оружейный люк удлинился с 650 мм до 744 мм. Начиная с типа 17 стали устанавливаться убираемые в полете лыжи (в том числе и на типе 10). В связи с этим в нижней части капота, в месте сопряжения с крылом, появи¬лись выколотки для носков лыж. В связи с последним — исчезли нижние окна для патрубков 5 и 6 цилиндров.
И-16 тип 18 с мотором М-62. Модификация представляет тип 10 с новым более мощным мотором. Переделки коснулись усиления моторами, установки протектированного бензобака, значительного изменения маслосистемы. Добавлен дополнительный маслобак 12 л (в связи с уменьшением емкости основного до 23 литров). Маслорадиатор увеличен до 8 дюймов, установка его. несколько ниже, отчего капот в нижней части слегка «провис». Патрубок (заборник) маслорадиатора увеличен.
Вверху появился патрубок скоростного напора карбюратора. Выколотка на кольце капота под тендер стягивающей ленты перенесена снизу на бок, напротив выколоток под лыжи. Первая партия машин типа 18 была оборудована винтом фиксированного шага (ВФШ) — в этом случае кок винта ставился с типа 10. На машины, оборудованные винтом изменяемого шага (ВИШ), кок ставился новый, специально сделанный для этого винта. На последних машинах винт ставился АВ-1, кок при этом был уже новый с типа 24.
Электрооборудование двухпроводное с напряжением 24 вольта. Источник электроэнергии — аккумуляторная батарея типа 12А-10 устанавливалась между третьей и четвертой нервюрами центроплана. Доступ к ней обеспечивался через люки в нижней обшивке центроплана.
И-16 тип 27 с мотором М-62. Дальнейшая модификация типа 17 с заменой М-25В наМ-62. Все конструктивные изменения коснулись винтомоторной установки подобно типу 18.
И-16 тип 24 с мотором М-63. Дальнейшая модификация типа 18, в соответствии с нормами прочности 1937 года.

  1. Установлен ВИШ АВ-1 и новый кок-обтекатель.
  2. Мотор оборудован регулятором постоянства оборотов «Р-2», 
     дающим возможность пилоту держать нужное число оборотов.
  3. Поставлена амортизационная стойка шасси с двузвенником,
     вместо ранее применявшегося шлицевого соединения.
     Одновременно увеличена эффективность амортизации, ход амортизатора
     увеличен до 96 мм по сравнению с 30-36 мм у предыдущего варианта.
  4. Костыль на типе 24 обрел небольшое колесо и масляно-пневматическую
     амортизацию.
  5. Введены посадочные щитки с механическим управлением.
     Рукоятка располагалась слева за сиденьем пилота.
  6. Установлен второй откидной борт кабины пилота с правой стороны.
     Хотя откидной борт на правой стороне официально вводился на типе 24,
     встречалось подобное усовершенствование и на других типах.
  7. Самолет оборудован системой ручного запуска от рукоятки стартера «РИ».
     Ручка в походном положении, хранящаяся в кабине пилота,
     при запуске вставлялась справа в специальное отверстие фюзеляжа.
     На правом борту фюзеляжамежду шпангоутами №7 и №8 прорезан люк для рации.

И-16 тип 28 с мотором М-63. Дальнейшая модификация типа 27 с М-63. Изменения общие, в соответствии с типом 24.
И-16 тип 29 с мотором М-63. Установлен крупнокалиберный пулемет «БС» (Березина синхронный) калибра 12,7 мм в нижней части фюзеляжа, в пространстве между нишами шасси, крыльевое вооружение отсутствует.
Маслорадиатор перенесен в пространство между четвертым и пятым цилиндром мотора. Подводящий патрубок маслорадиатора перенесен соответственно в пространство между окнами этих цилиндров. Часть И-16 тип 29 не имела патрубка, подвод воздуха осуществлялся через прорезные жалюзи.
В связи с переносом маслорадиатора снят ручной запуск мотора «РИ». Высота шасси уменьшена на 32 мм.