Между тем было принято решение о закупке в США двигателей Райт «Циклон F2» в маловысотном варианте. Второй прототип И-16 предстояло оснастить именно таким мотором и трехлопастным воздушным винтом фирмы Гамильтон Стандарт. Поскольку основной объем испытаний приходился на зимнее время, оба прототипа оснастили лыжным шасси. Из-за повышенного аэродинамического сопротивления такого шасси снять летные характеристики самолетов в полном объеме не представлялось возможным, зато летные испытания начались непосредственно после изготовления опытных машин.

Первый полет на прототипе с двигателем М-22 выполнил 30 декабря 1933 г. летчик-испытатель Государственного авиационного завода № 39 Валерий Чкалов. Второй прототип поднялся в воздух вскоре после Нового года. Чкалов нашел, что истребитель сложен в пилотировании, управлять им тяжело и непривычно. Летные испытания и доработки чередовались на протяжении всего января 1934 г. В феврали 1934 г. оба прототипа предъявили на 1-й этап Государственных испытаний. На самолете с двигателем М-22 летал Владимир Коккинаки, на самолете с Райт «Циклоном» — Василий Степанчонок. Полеты проводились, не взирая на плохую погоду с низкой и плотной облачностью. В последних числах февраля оба опытных истребителя вернули на завод для исправления замечаний и подготовки к новому этапу летных испытаний, в частности предстояло сменить лыжи на колеса.

Летные характеристики прототипов по результатам десятидневных испытаний

Снятые в ходе летных испытаний характеристики обоих прототипов оказались очень близки, истребители продемонстрировали великолепную маневренность, однако у маневренности имелась оборотная сторона: самолет не допускал полет с брошенной ручкой управления. Посадку оценили как весьма сложную. Тем не менее, И-16 проявил себя на посадке более устойчивым, по сравнению с конкурентом — истребителем И-14, кроме того, И-16 был меньше подвержен развороту на посадке.