13 января 1933 г. начальник ГУАГГ(1) П.И. Баранов издал приказ об организации нового ЦКБ на заводе им. Менжинского во главе с Ильюшиным. Поликарпову поручили бригаду № 2, которая должна была проектировать истребители.

Связанные с переездом организационные трудности и срочная работа над И-15 отодвинули проектирование И-16 на несколько месяцев. Поэтому первый вариант эскизного проекта был завершен только в апреле. В июле появился второй, получивший обозначение ЦКБ-12. На нем вместо предусмотренного, но еще не освоенного промышленностью мотора РЦФ-3 (Райт "Циклон" F3) планировалась установка М-22 — устаревшего, но все еще выпускавшегося. С двигателем РЦФ-3 предполагалось получить максимальную скорость 415–420 км/ч, а с М-22 — не более 360 км/ч. Но пока не было "Циклонов", такое решение позволяло сэкономить время. В отличие от первого варианта мотор закрывался капотом НАСА. а фонарь сдвигался вперед на направляющих.

С августа началась постройка, и 30 декабря 1933 г.

В.П. Чкалов совершил первый полет на И-16 с М-22. В январе приступили к испытаниям второго экземпляра с мотором РЦФ-2, поскольку РЦФ-3 все еще не производился.

В феврале 1934 г. начались госиспытания. На И-16 с М-22 летал В.К. Коккинаки, а на И-16 с РЦФ-2 — В.А. Степанченок. Самолеты имели неубираемое лыжное шасси и не могли показать расчетную скорость (скорость у земли первого экземпляра 306 км/ч, второго — 346 км/ч). Пилоты отмечали хорошую летучесть и маневренность истребителя. Одновременно указывали, что И-16 строг в пилотировании. Дело в том, что он имел заднюю центровку и малый запас устойчивости — ведь чем самолет менее устойчив, тем он более маневренный. На И-16 центр тяжести практически совпадал с аэродинамическим фокусом.(2)

Необычная продольная компоновка И-16 вызывала у ряда ученых большие сомнения в его штопорных характеристиках.