Томашевич принимал участие в разработке многих модификаций этой машины: И-15 с винтом регулируемого в полете шага типа Гамильтон-Стандарт; И-15 с полукольцом NACA; И-15М (ЦКБ- ЗМ); ЦКБ-3 № 1 дублер; ЦКБ-ЗРВ («рекорд высоты») или ЦКБ-42; И-15 с гермокабиной CK-IV конструкции А.Я. Щербакова; И-15бис; И-153 и других. Из них И-15бис, И-153 строились большими сериями.
В 1933 г. началось проектирование истребителя-моноплана И-16. Приведем выдержки из воспоминаний Томашевича:
«При разработке И-16 была объявлена борьба за снижение веса самолета. Не помню точно, была ли определена и указана премия за снижение веса против лимита. …И самолет оказался самым легким в мире…
Самолету И-16 не хватало устойчивости. Николай Николаевич сетовал: «Самолет И-3 был устойчивым, но военные его ругали, так как считали, что из-за этого он теряет в управляемости». И ему пришлось делать И-16так, как хотели военные, хотя в этом и крылась их ошибка, которую понимал Поликарпов…
Компоновка И-16 была необычной для всего мира. Николай Николаевич сам изучил и дал мне изучить особенности низкого размещения крыльев….На И-16 были реализованы меры, ликвидирующие отрицательные свойства [схемы] низкоплана…
На И-16 случилась трудность: не удавался подъемник шасси. …Думали все. Мне удалось наметить схему, и она была реализована нашим представителем на горьковском заводе Коротковым».
Первый опытный экземпляр машины В.П.Чкалов поднял в воздух 30 декабря. Истребитель около восьми лет строился серийно в разных модификациях с моторами М-22, М-25, М-62, М-63. Развитие И-16 осуществлялось по разным направлениям, улучшались эксплуатационные свойства машины, росла мощь вооружения. Именно на этом самолете были установлены синхронные крупнокалиберные пулеметы (впервые в СССР), появилась первая в мире установка синхронных пушек, первое убираемое лыжное шасси.
Всего было построено около девяти тысяч И-16. Эта машина долгое время составляла основу воздушной мощи СССР, воевала в Испании, Китае, Монголии, Финляндии, принимала участие в тяжелых воздушных сражениях Великой Отечественной войны.
Проектирование самолетов под руководством уникального конструктора стало хорошей школой для Дмитрия Людвиговича. Поликарпов оценил Томашевича и перевел его начальником бригады общих видов. Первой крупной работой, которую выполнял Томашевич в новой должности, было создание истребителя с мотором жидкостного охлаждения И-17 (в модификациях ЦКБ-15, ЦКБ-19).
