В конце 1933 года бригада H.H. Поликарпова представила новый инициативный проект — свободнонесущий низкоплан смешанной конструкции (на этот раз деревянным был фюзеляж, а каркас центроплана — металлическим). Он имел три принципиальные особенности: необычайно малые размеры, небольшой запас продольной статистической устойчивости и очень малую взлетную массу. Серийный истребитель И-16 тип 5 с двигателем М-25 (обрусевший «Райт-Циклон» F-3) весил 1508 кг и на высоте 4000 м развивал скорость 445 км/ч. На нем была установлена бронеспинка летчика толщиной 8 мм и убирающиеся шасси. Вооружение состояло из двух крыльевых пулеметов ШКАС с 900 патронами на каждый.
И здесь не обошлось без критиков. Интенданты возмущались слишком большой длиной разбега самолета, которая достигала 250 м (у биплана И-15–70 м, у тяжелого бомбардировщика ТБ-3–300 м), что требовало удлинения аэродромных полос. Летчикам, особенно средней квалификации, не нравилась большая посадочная скорость, сложная техника пилотирования по сравнению с бипланами — недостаточно устойчивый самолет был строг в управлении, энергично реагировал на малейшее движение ручки и не прощал ошибок. Впрочем, и М.М. Громов, и М.Л. Галлай в мемуарах тоже отмечали, что И-16 «был неустойчив и с плохим обзором», «даже при не очень грубых неточностях в действиях пилота охотно срывался в штопор», а их трудно назвать летчиками средней квалификации. Эта неустойчивость была сознательно задана конструктором, совместившим в одной точке центр тяжести и аэродинамический фокус самолета — все ради достижения, наряду с высокой скоростью, максимальной маневренности в бою. Не устраивал военных также сдвижной фонарь кабины. Пилоты утверждали, что он ограничивает свободу движений и стесняет обзор, а главное — может заесть при необходимости покинуть самолет в критической ситуации. В результате закрывающийся фонарь был упразднен, и кабина стала открытой, что несколько снизило летные качества машины. Тем не менее это был лучший и самый массовый довоенный советский истребитель, находившийся в производстве на протяжении семи лет.
Самолеты И-15 и И-16, ознаменовавшие собой начало качественно нового этапа развития советской авиации, принесли H.H. Поликарпову славу «короля истребителей». Эти машины постоянно улучшались, модернизировались и состояли на вооружении советских ВВС до 1943 года включительно.
Одновременно велись активные работы по созданию пушечного и двухместного истребителей. Последним, предназначавшимся для сопровождения тяжелых бомбардировщиков, уделялось заметное место. При бипланной схеме существенной разницы в скоростях между одноместными и двухместными истребителями не было, в воздушном бою они считались практически равноценными, а наличие второго члена экипажа обеспечивало большую универсальность боевого применения машины как разведчика, легкого бомбардировщика или штурмовика. Однако ничего путного в этом классе создать не удалось. Проекты ДИ-3 и ДИ-4 были осуществлены в единичных экземплярах. В конце 1934 года бригадой С.А. Кочеригина и В.П. Яценко был выпущен двухместный полутораплан ДИ-6 с убирающимися шасси и двигателем М-25, развивавший 370 км/ч и вооруженный тремя пулеметами. Самолет обладал хорошей скоростью и маневренностью.
