В сентябре 1934 г. И-16 еще раз передали на государственные испытания. Наконец-то был установлен мотор РЦФ-3, который в серийном производстве получил обозначение М-25. Были устранены и многие недостатки, особенно в механизме уборки и выпуска шасси. Двигатель закрыли новым капотом, применявшимся потом на всех дальнейших модификациях. Он не имел выходной щели, а охлаждающий воздух проходил через несколько продолговатых отверстий по бокам. Истребитель показал выдающиеся по тому времени данные: максимальная скорость у земли была равна 395 км/ч, на высоте 4000 м — 455 км/ч (с М-22 -350 км/ч и 325 км/ч соответственно).
Почти одновременно с И-16 Поликарпов проектирует истребитель-моноплан И-17 (ЦКБ-15) с двигателем жидкостного охлаждения. В 1935 г. была построена его модификация ЦКБ-19 с мотором М-100 в 760 л,с. Самолет показал скорость до 500 км/ч и впервые в СССР был вооружен пушкой, стрелявшей через вал редуктора. Он опережал по времени выпуска истребители "Мессершмитт" Bf-109, "Харрикейн", "Спитфайр" и др. Однако должного внимания этой машине ни со стороны ВВС, ни со стороны КБ уделено не было. Все сосредоточились на И-16.(3)
С конца 1934 г. началось внедрение И-16 в серию на заводе № 21 в Горьком. Поскольку это был четвертый тип самолетов, строившихся здесь, то в документации он обозначался И-16 тип 4. От прототипа он отличался несколько удлиненным капотом и наличием механизма зависания элеронов для снижения посадочной скорости. Первоначально И-16 тип 4 выпускался с мотором М-22 (480 л. с), затем — с М-25 (712л. с). Горьковский завод стал головным по выпуску И-16. Тут построили 8495 этих самолетов различных типов, причем последние 337 шт. собрали в 1941 г. В 1934-36 гг. на заводе № 39 в Москве сделали 58 шт. И-16. С 1937 г. И-16 выпускались также заводом № 153 в Новосибирске, где до начала войны их сдали 897 шт. Всего за семь лет серийного производства было построено 9450 этих истребителей.
Поликарпов придавал большое значение дальнейшему совершенствованию своих самолетов. В одной из статей он писал: "Каждый из нас, конструкторов, стремится к тому, чтобы его машина как можно дольше оставалась морально молодой. Но это случается лишь с теми конструкциями, которые можно все время путем модификаций держать на уровне современной мировой техники. По сути дела модификация — продолжение конструирования, только в форме, более выгодной промышленности".
Ярким воплощением этой концепции является И-16, развитие которого шло по следующим направлениям: повышение летных и эксплуатационных качеств; повышение огневой мощи; разработка учебно-тренировочных вариантов; создание опытных и экспериментальных машин для отработки прогрессивных конструкторских идей, проверки новых двигателей, турбокомпрессоров, перспективных образцов вооружения.
