Примерно тогда же, в 1932 г., Поликарпов сделал первые наброски будущего истребителя-моноплана. В январе 1933 г. произошло разукрупнение ЦАГИ и ЦКБ. В реорганизованном ЦКБ Поликарпов получил пост начальника бригады № 2,2-я бригада специализировалась на истребителях. Начальник бригады лично отслеживал состояние с проектированием И-16.

Работы велись параллельно с проектированием биплана И-15. ВВС начали проявлять заинтересованность только с мая 1933 г.

Облик самолета — низкоплан с фюзеляжем монококовой конструкции, убираемым шасси и полностью закрытой кабиной летчика — начал вырисовываться летом 1933 г. Рассматривались два способа капотирования двигателя — использование кольца Тауненда и капота НАСА. Продувки в аэродинамических трубах показали некоторое преимущество последнего.

Конструкторы настаивал на использовании на истребителе мотора семейства Райт «Циклон». Первые серийные «Циклоны» начали выпускать в США в 1925 г., к 1933 г. двигатель был значительно усовершенствован и все еще имел большой запас для модернизации. В СССР широко применялись моторы Райт «Уирлуинд», которыми оснащались в частности самолеты АНТ-9. Пока велись дискуссии, Алкснис предложил поставить на перспективный истребитель двигатель М-22. Даже учитывая явно недостаточную мощность этого мотора, с ним прототип мог достигнуть скорости 300 км/ч на высоте 5000 м.

Полномасштабное проектирование ЦКБ-12 началось в июне 1933 г. К этому времени военные уже с нетерпением ожидали новый истребитель. Макетная комиссия по самолету прошла успешно. Расчеты показывали, что характеристики истребителя будут полностью отвечать заданным, а по максимальной скорости можно рассчитывать и на превышение. 22 ноября 1933 г. Совет труда и обороны принял решение о запуске самолета в серийное производство под обозначением И-16.