В июле 1933 года бригада Поликарпова подготовила второй эскизный проект будущего самолета, на котором и базировались при дальнейшей работе. В августе началась постройка деревянного макета ЦКБ-12, который был готов в ноябре 1933 года. Кстати, вопреки расхожему мнению, будущий И-16 отнюдь не был «детищем короля истребителей». Над машиной работал заместитель Поликарпова по бригаде № 2 Дмитрий Томашевич, а также целая группа специалистов. В Советском Союзе вообще любили приписывать коллективные труды одному человеку — «гению»: автомат АК-47 — Калашникову, танк Т-34 — Кошкину, водородную бомбу — Сахарову и т. д.
В это время в стране полным ходом шла индустриализация, вводились в строй все новые и новые военные предприятия, в том числе авиационные. Поставив цель избавиться, как сейчас говорят, от «импортозависимости», руководство страны требовало в кратчайшие сроки освоить производство самых разных типов самолетов — от скоростных истребителей до четырехмоторных бомбардировщиков. В Казани в составе строившегося в городе авиационного комбината («Казмашстрой») было начато создание завода, позднее получившего название авиазавод № 124 имени Серго Орджоникидзе. В Сибири недавно введенный в строй Иркутский авиационный завод № 125 осваивал выпуск истребителя И-14. На юге страны Таганрогский авиазавод № 31 (бывший аэропланный завод) заканчивал предсерийные испытания летающей лодки МБР-2.
Однако особого выбора у военных, осматривавших самолет, все же не было, поэтому уже 22 ноября 1933 года Совет труда и обороны СССР недолго думая принял решение о запуске истребителя в серийное производство[8].
К концу года были изготовлены два экземпляра самолета, внешне отличавшиеся друг от друга в основном винтами: на одном двух-, на другом — трехлопастный. На самом деле на одном стоял двигатель М-22 мощностью 480 л. с., на втором — более новый американский мотор Wright Cyclone R-1820-F2, выдававший 712 «лошадей». Поскольку конструкция шасси еще была не доведена, а на дворе все равно стояла зима, оба ЦКБ-12 оснастили неубирающимися лыжами. Именно в таком виде будущую знаменитую машину увидел на заснеженном аэродроме авиазавода № 39 летчик Валерий Чкалов 30 декабря.
Чкалову ЦКБ-12 не понравился, он сказал, что истребитель оказался сложным и непривычным в пилотировании[9].
В феврале 1934 года начались уже государственные испытания самолета, получившего обозначение И-16, которые проводили известные летчики-испытатели Василий Степанчонок
