В январе 1937 г. прошли полигонные испытания И-16 с четырьмя пулеметами ШКАС. Помимо определения тактической пригодности этой модификации их целью было «выявить устранение промышленностью дефектов, выявленных ранее по безотказному подводу питания оружия». Если перевести корявый канцелярский язык советской бюрократии, то испытания должны проверить, были ли действительно проведены работы по доработке самолета или же о них отчитались только на бумаге.
И действительно, обнаружилось, что промышленность, и в первую очередь Горьковский авиазавод № 21, ничего не сделала в этом направлении. Подвод питания к внешним пулеметам так и не был доработан, ручки перезарядки остались без изменений, пулеметная лента шла плохо и заедала, вследствие чего ШКАСы часто заклинивало. Хотя огневая мощь истребителя в целом значительно возросла и появилась возможность использования его в качестве скоростного штурмовика, счетверенная пулеметная установка полигонных испытаний не выдержала.
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. Авиазаводу № 21 в качестве главной задачи на год была вменена борьба за облегчение полетного веса. Комиссия утвердила 38 изменений в конструкции самолета. Отныне было решено выпускать И-16 сразу в пяти модификациях: стрелковой, пушечной, ночной, бомбардировочно-стрелковой и учебно-тренировочной (УТИ), чей вес колебался от 1430 до 1712 кг. При этом пушечная и бомбардировочно-стрелковая модификации предусматривали использование самолета в качестве штурмовика.
Пушечный И-16 должен был развивать скорость 435 км/ч, набирать высоту 5000 метров за 7,5 минут и иметь потолок в 8500 метров. Однако его освоение протекало исключительно болезненно и напряженно. Причиной тому стали большое число изменений, вносимых в конструкцию уже в ходе серийного производства без предварительной увязки их в опытном производстве, недоработанность самих этих нововведений в конструкторском отношении, большой процент брака, слабая организация производства, особенно на мелких участках, дефекты технической документации и инструмента, а также трудности в изготовлении последнего и т. п. Имели место постоянные перебои в поставках моторов, шасси, лыж, дюралюминия, авиаполотна и других материалов.
Кризисное состояние производства послужило поводом для выдвижения против директоров авиазаводов и работников НКАП обвинений во вредительстве и последующих репрессий. Но это лишь способствовало дальнейшей дезорганизации производства. В итоге выпуск штурмового варианта И-16 в 1938 г. был сорван. Так, авиазавод № 21 вместо двухсот положенных по плану самолетов И-16 Тип 17 выпустил всего 27 машин.