Попутно испытывался и вариант И-16 с химическим вооружением. На самолете монтировались два прибора ВАП-6. При распылении жидкости с высоты 25 метров они поражали площадь в 1,5 га, а с высоты 100 метров – 4,3 га. Аналогичным образом можно было разливать над вражьими окопами и горючую жидкость. В этом случае две струи химических веществ смешивались и воспламенялись, выжигая при опорожнении контейнера на высоте 25 метров площадь около одного гектара.

Затем появился совсем экзотический вариант И-16 Тип 9 с неубирающимся шасси, вооруженный сразу шестью пулеметами ШКАС. На него предполагали устанавливать также и бомбодержатели для 25-кг бомб. Однако КБ Поликарпова и руководство заводов-производителей выступили против подобной универсализации истребителя, обосновывая это в первую очередь постоянным повышением его полетного веса. В итоге им удалось добиться отмены решения об установке бомбодержателей, однако требование о совмещении пушечного и стрелкового вооружения осталось в силе.

В октябре 1937 г. снова прошли войсковые испытания И-16 с пушечным вооружением. В них приняли участие восемь специально изготовленных самолетов, из них три были вооружены 12,7-мм пулеметами, а остальные – 20-мм пушками ШВАК. В ходе 247 учебных вылетов были выполнены стрельбы по наземным мишеням и аэростатам заграждения. Удалось достигнуть удовлетворительной точности попаданий. Однако 20-мм пушки в части автоматики оказались недостаточно надежными вследствие большого числа задержек и малой живучести отдельных деталей.

В январе 1938 г. вопрос о дальнейшем производстве И-16 рассматривался на заседании межведомственной комиссии.