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).