Признавая, что по причине недоведенности отдельных элементов конструкции самолет испытаний не выдержал, Алкснис требовал отладки вооружения и заключал, что до надежной его работы, И-16 «не может считаться военной истребительной машиной». Хотя этот экземпляр развивал на высоте трех километров максимальную скорость 437 км/час, военные, которых совсем недавно устраивало трехсоткилометровое достижение, теперь вошли во вкус и требовали еще более высоких показателей. Они предлагали установить на И-16 новый отечественный мотор М-58 уменьшенного диаметра и добиться максимальной скорости 470 км/час. Вариант этот, кстати, был осуществлен, но развития не получил.
Серийное производство истребителя разворачивалось тем временем на заводах №39 в Москве и №21 в Нижнем Новгороде. Головной московский авиазавод получил на 1934 план изготовления 50 самолетов. Здесь самолет дорабатывался, здесь же готовилась техническая документация. В период с января по апрель 1934 года отсюда в Нижний Новгород были отправлены все чертежи для серийной постройки. Хотя там уже заканчивали изготовление истребителя И-5. производственные мощности вовсе не были свободны. Практически до середины лета, 21-й завод возился с внедрением в серию (по ранее принятым решениям) самолетов ХАИ-1 и И-14. Только 17 июля здесь приступили наконец к работе по И-16. До конца года завод должен был изготовить 250 таких истребителей. Естественно, что этим фантастическим планам сбыться суждено не было — до конца года заводчанам вообще не удалось сдать ни одной серийной машины.
И-16 стал на заводе №21 четвертым типом выпускаемой продукции после И-5, ХАИ-1. И-14. Первые самолеты, оснащенные двигателями М-22 получили таким образом обозначение — тип 4. Эти машины выпускались заводом в течении всего 1935 года. В общей сложности, вместе с выпущенными однотипными И-16 на московском авиазаводе, суммарное количество истребителей, оснащенных М-22, составило 400 экземпляров.
Тип 4 не применялся в «командировках» — Испании и Китае — однако оставался в небольших количествах в строевых частях и летных школах к моменту нападения Германии на Советский Союз. Вполне возможно поэтому, что отдельные экземпляры И-16 тип 4 принимали участие в боевых действиях летом 1941 года.
И-16, выпускаемые авиазаводом №39. имели обозначение в соответствии с порядковым номером ЦКБ. В течении 1934 года здесь выпустили 50 самолетов И-16. имеющих серийные номера с №123901 по №123950 (что означало - ЦКБ-12 выпуска завода №39 номер такой-то). В 1935-36 годах московский завод выпустил еще 8 машин (по четыре экземпляра ежегодно), закончив на №123958. Конечно все эти И-16 вовсе не являлись дублированием опытной машины М-22. Более того, в это количество входили и опытные самолеты, которые разрабатывались в бригаде Поликарпова. Вошла сюда и специальная пятерка И-16. предназначенная для группового пилотирования.
В течение всего года, когда велись первые испытания истребителя, а заводы готовились к его серийному производству, слух о И-16 перелетал из кабинета в кабинет руководителей промышленности и государства, поднимаясь все выше. Обратил внимание на новый самолет и сам Иосиф Сталин. Однажды в ноябре 1934 года (произошло это по воспоминаниям летчика и конструктора Владимира Шевченко после того, как выпавший первый ноябрьский снег внезапно растаял) на Ходынку прибыли роскошные правительственные автомобили. Приехали Сталин, Орджоникидзе, Каганович. Микоян и другие партийные руководители. Интересовались И-16. В самолет сел Чкалов и от души открутил весь пилотаж перед правительственной делегацией. Когда пришло время приземляться, капризное шасси как обычно застряло на выходе. Чкалов, уже неоднократно проделывая это ранее, дожал шасси перегрузкой, крутанув несколько эффектных «мертвых» петель. Последнее особенно понравилось Сталину — после приземления он пожелал познакомиться с отважным пилотом. Опрашивая других присутствующих летчиков завода и И И И ВВС, вождь интересовался их мнением о новом истребителе. Нужно отметить, что к тому времени офиииально и неофициально И-16 опробовали в воздухе человек двадцать.
Все опрошенные самолет хвалили. На вопрос «Так что, нужен нам такой самолет?» отвечали — «Очень нужен, товарищ Сталин!».
Тогда же было решено построить на авиазаводе №39 пять специально облегченных И -16 для парадной пилотажной группы. Заказ на их изготовление получил название «Сталинское задание». Эти машины. оснащенные американскими «Райт-Циклонами», выполненные по типу третьей опытной, были готовы в марте 1935 года. Сами летчики-пилотажники, состоящие из испытателей НИИ ВВС, уже имели к тому времени богатый опыт совместных полетов. Они летали на И-5, крылья.которых поначалу даже связывали металлическим тросиком. Понятно, что такие смертельные опыты требовали филигранной техники пилотирования, ибо ошибка одного пилота могла привести к гибели других. Однажды такое едва не произошло.