В марте 1934 г. в НИИ ВВС РККА прошли государственные испытания И-16 с девятицилиндровым мотором М-25 (так в СССР назвали американский двигатель Wright Cyclone R-1820-F-3) мощностью 480 л.с. Полеты выполняли летчики-испытатели Владимир Коккинаки и Валерий Чкалов. Самолет развил максимальную скорость 359 км/ч и достиг потолка в 7180 м. По скоростным качествам истребителя Госкомиссия сделала следующие выводы: «Благодаря хорошим аэродинамическим формам и убирающимся шасси И-16 уступает по скорости на высоте 5000 м немногим серийным истребителям, состоящим на вооружении иностранных воздушных флотов, превосходя их по скорости до высоты 2000 м и уступая в потолке и скороподъемности».

Однако испытания выявили и слабые места нового самолета: очевидную ненадежность шасси, протекание бензобаков, недостаточную прочность различных кронштейнов, деформацию крепления прицела. Летчики отметили, что им плохо видны приборы, а в кабину задувает воздух. На больших скоростях у самолета начинали вибрировать крылья, а при посадке происходил завал на правое крыло. Крепление ШКАСов при стрельбе сильно расшатывалось, и в результате получался огромный разброс пуль.

В сентябре того же года И-16 снова прошел госиспытания, но теперь уже с мотором М-25. На этот раз он развил максимальную скорость у земли в 395 км/ч. И впоследствии эта модификация, получившая обозначение Тип 5, стала самой массовой.

С 28 августа по 3 ноября 1935 г. летчики 107-й истребительной авиаэскадрильи (ИАЭ) майора Курдюмова проводили войсковые испытания нового самолета по трем основным тактическим задачам: одиночный и звеньевой бой, атака аэростатов заграждения и стрельба по наземным целям. Именно тогда И-16 впервые был опробован в роли штурмовика. При этом на испытаниях присутствовал лично главный конструктор Поликарпов.