Первые самолеты И-16 тип 10 отправили в Испанию в марте 1938 г. в составе партии из 31 истребителя, летом к ним прибавилось еще девяносто И-16 тип 10. Самолеты И-16 тип 10 приняли участие в ожесточенных воздушных боях лета 1938 г. В это же время испанцы получили 24 двигателя Райт «Циклон F54» американского производства, эти моторы имели улучшенные высотные характеристики. Несколько И-16 из 4-й эскадрильи переоснастили американскими Райт «Циклонами»; 4-й эскадрильей командовал один из самых ярких асов республиканских ВВС — Антонио Ариас.

Расчеты показывали, что новые двигатели будут сохранять мощность до высоты порядка 7000 м, что даст возможность пилотам И-16 на равных вести воздушный бой с истребителями Bf. 109. Первые схватки между двумя типами истребителей-монопланов, показали, что до высоты 3000 м они имеют примерно равные характеристики, но выше мощность двигателя М-25 падает, в то время как мотор мессершмитта не теряет мощности до высоты 5000 м. За счет большей высотности двигателя летчики Bf. 109 могли диктовать свои условия боя.

Летчики Антонио Ариаса преподнесли сюрприз противнику 17 сентября 1938 г. над Эбро в воздушном бою с эскадрильей мессершмиттов. В первой же атаке, неожиданно свалившись сверху, летчики И-16 с Райт «Циклонами» сбили четыре Bf. 109. Всего же республиканские летчики (в бою принимали участие И-16 с Райт «Циклонами», «нормальные» И-16 и И-15) сбили одиннадцать самолетов противника. Увы, это была уже прощальная песня. До конца 1938 г. все советские летчики покинули Испанию, а поставки авиационной техники из СССР прекратились. В общей сложности из Советского Союза в Испанию было отправлено 455 одноместных истребителей И-16 и 20 двухместных УТИ-4; к месту назначения прибыли 422 И-16 и четыре И-16УТИ.