Работая над совершенствованием И-16, Николай Николаевич прекрасно понимал, что значительно улучшить летно-технические характеристики истребителя с двигателем воздушного охлаждения можно, только перейдя к применению двухрядных "звезд". И едва на заводе № 29 в Запорожье освоили выпуск мотора М-85 (лицензионное воспроизводство французского 850-сильного 14-цилиндрового "Мистраль-Мажор" 14К фирмы “Гном-Рон"), как в КБ Поликарпова начались проработки истребителя под новую силовую установку. Однако М-85 при меньшем, чем у М-62, миделе не обладал еще достаточной мощностью и не мог дать заметных преимуществ. Тем не менее работать над истребителем с двухрядной "звездой" следовало, помня о перспективе.
В конце 1937 г. Поликарпов разработал предварительный проект нового истребителя И-165-II с М-88(1), а в марте 1938 г. на его основе подготовил первый вариант эскизного проекта И-180. Это был близкий по схеме к И-16 самолет с несколько увеличенными размерами и широким использованием в конструкции планера прессованных профилей и штампованных деталей. Вооружить И-180 предполагалось четырьмя синхронными пулеметами ШКАС (два над двигателем и два в центроплане). В дальнейшем крыльевые пулеметы собирались заменить пушками. В перегрузку истребитель должен был поднимать 200 кг бомб. Ведущим конструктором по новой машине стал Д.Л. Томашевич.
Поликарпов хотел получить безредукторный М-88, т. к. существовавший М-88Р требовал установки винта диаметром не менее 3,2 м, что для столь небольшого самолета было много (высокое шасси — трудности с его уборкой). Но изготовление этого мотора затягивалось. Кроме того, горьковский завод № 21, где предполагалось строить серийно И-180, не готов был к широкому освоению новых техпроцессов при изготовлении металлических узлов и деталей.
Все это вызвало необходимость проектирования иного варианта И-180, близкого по технологии к И-16 с мотором М-88Р и винтом ВИШ-23Е. В результате расчетные летно-технические данные несколько снизились. Если для первого варианта скорость составляла 572 км/ч, то для второго — 557 км/ч.
Летом 1938 г. на опытном заводе № 156 началась постройка опытного экземпляра И-180. С осени она проводилась форсированными темпами — последние испанские события играли роль сильного катализатора. Но предприятию, строившему ранее в основном крупные самолеты, трудно давалась технология производства небольшого истребителя. Ряд узлов и агрегатов имели низкое качество, на что Поликарпов неоднократно обращал внимание главного инженера.
