De Polikarpov I-16 werd in 1933 als TsKB-12 gepresenteerd en was toen de eerste eendekker ter wereld met een intrekbaar landingsgestel. De I-16 werd volop ingezet tijdens de Spaanse Burgeroorlog en was bij aanvang van die oorlog één van de beste vliegtuigen ter wereld. Spanje zou de overgebleven toestellen tot in 1953 blijven gebruiken. Ook in China werd het toestel uitgebreid ingezet in de strijd tegen Japan evenals tijdens de oorlogen met Finland. Bij de Duitse inval in de Sovjet Unie was de I-16 de standaard jager van de Sovjet luchtmacht. Van de vele typen werden totaal meer dan 13.500 toestellen geleverd.

Toen Polikarpov met het ontwerp kwam van de TsKB-12 in 1933 was het een revolutionair toestel. De eerste eendekker ter wereld met intrekbaar landingsgestel. Het ontwerpen was begonnen in 1932 door ontwerpers Grigorovic en Polikarpov in een Sovjet-staatsgevangenis. De twee ontwerpers waren daar vastgezet omdat Stalin het te lang vond duren eer er een nieuw jachtvliegtuig was ontworpen.

In december 1933 vloog het eerste prototype. Ondanks het lage vermogen van de gebruikte Shvetsov M-22 motor (450 pk) wist men toch een snelheid neer te zetten van maar liefst 376 km/u. Het was een uit hout en metaal opgebouwd toestel. De eerste typen waren uitgerust met een open cockpit, maar later kwam er een gesloten koepel op.

Toen de Spaanse Burgeroorlog uitbrak leek het Stalin de uitgelezen kans om een aantal Sovjetvliegtuigen te testen onder oorlogsomstandigheden. Van alle landen die de Republikeinen steunden was de Sovjet-Unie de grootste leverancier met maar liefst 1409 van de 1947 door andere landen geleverde vliegtuigen. Om en nabij de 500 I-16's werden geleverd aan de Republikeinse luchtmacht. Bij aanvang van de Burgeroorlog was de I-16 het beste vliegtuig ter wereld. De vliegeigenschappen waren ongeëvenaard. Al snel moest het haar meerdere erkennen in de Italiaanse Fiat CR-32 en de Duitse Messerschmitt Me 109. Maar zelfs tegen deze toestellen kon de I-16 het in handen van een goede piloot opnemen.
Toen de Spaanse Burgeroorlog afliep werden de 22 overgebleven toestellen samen met nog 30 in kratten aanwezige exemplaren ingelijfd bij de Nationalistische luchtmacht. De laatste hiervan vloog nog in 1953.

In 1937 gingen Sovjet-vrijwilligers met onder andere dit toestel meevechten aan Chinese zijde tegen de Japanse indringers in Mantsjoerije. Ook kocht China een aantal I-16's en zette ze met succes in tegen de Japanse invasie. In 1939 werden de toestellen volop ingezet in Mongolië. Tijdens de oorlogen tussen Finland en de Sovjet-Unie maakte Finland twee toestellen buit, maar heeft ze nooit operationeel ingezet.

Tijdens de Duitse invasie in de Sovjet-Unie in juni 1941 was de I-16 het standaard jachtvliegtuig van de Sovjetluchtmacht en -marine. Het toestel bleef in volle actie tot ver in 1943. In 1941 was het toestel voor de Sovjets nog zeer belangrijk. De Sovjet-jager macht bestond aan het begin van de Duitse invasie nog voor zo'n 65 % uit Polikarpov I-16 toestellen.

Totaal waren er een twee prototypen te onderscheiden bij de I-16, waarvan drie toestellen als echter type prototypen bezien kunnen worden. De TsKB-12 was het eerste prototype en was uitgerust met een 450 pk (336 kW) M-22 motor en bewapend met twee niet-gesynchroniseerde ShKAS machinegeweren in de vleugels. Een tweede prototype was uitgerust met een andere motor en wel de 715 pk (533 kW) Wright SGR-1820-F-3 motor. Dit was de TsKB-12bis.

De eerste productieserie kreeg een Shvetsov M-22 motor met een vermogen van 358 pk. Het was bewapend met twee 7,62 mm ShKAS mitrailleurs. Twee exemplaren werden gebruikt voor een proef, waarbij het toestel werd gecombineerd met een Tupolev TB-3 bommenwerper. Dit waren waren twee TsKB-29 (SPB) toestellen geproduceerd met pneumatisch landingsgestel, Wright Cyclone motor en bewapend met twee ShKAS machinegeweren. Deze toestellen werd gebruikt voor het Zveno project waarbij een Tupolev TB-1 of Tupolev TB-3 bommenwerper werd gebruikt als moederschip voor een aantal jachtvliegtuigen.

Dit type werd uitgerust met een Shvetsov M-25 motor. De standaardbewapening van twee 7,62 ShKAS machinegeweren kon worden aangevuld met 200 kg aan bommen.

Dit was vooral een experimentele versie. De serieversie was gelijk aan het type 4, maar door het aanbrengen van bepantsering ter bescherming van de piloot was het gewicht toegenomen tot 1460 kg. Met deze versie werd geëxperimenteerd met bewapening en proeven zoals bij type 1 met een TB-3 bommenwerper. Ook waren er van dit type nog twee TsKB-18 grondondersteuningsvliegtuigen, uitgerust met een M-22 motor en bepantserde cockpit. De bewapening bestond uit vier ShKAS machinegeweren of PV-1 machinegeweren en 100 kg bommenlast.

Er was een prototype, de TsKB-12P, ook wel I-16P, die was bewapend met twee 20 mm ShVAK kanonnen in de vleugels.

Deze versie was gelijk aan het type 5, maar uitgerust met een sterkere motor.
De Spaanse Republikeinen kregen in totaal 157 toestellen van het type 6, uitgerust met een Wright Cyclone F.54 motor met een vermogen van 775 pk.

In de I-16 type 10 werden de ervaringen gecombineerd die waren opgedaan met de typen 5 en 6. De motor werd iets opgevoerd en aan de bewapening werden twee mitrailleurs toegevoegd. Dit type werd in zeer grote hoeveelheden gebouwd. Sommigen werden uitgevoerd met ski's en anderen kregen een Wright Cyclone R-1820-F-54 motor.

De Sovjet-Unie leverde totaal 136 toestellen van dit type aan de Spaanse Republikeinse luchtmacht waarvan een deel later terecht kwam bij de Spaanse Nationalistische luchtmacht.

Ontwikkeld uit het type 10 en uitgevoerd met twee 7,62 mm ShKAS mitrailleurs en twee 20 mm ShVAK kanonnen.

Ontwikkeld uit het type 10 met een nieuwe M-62 motor. Qua bewapening werd weer teruggevallen op de standaardbewapening met vier mitrailleurs

Ontwikkeld uit het type 17, uitgerust met een M-25 motor ontstond het type 24. Al snel schakelde men echter voor dit type over op de nieuwere M-63 motor. De bewapening bestond standaard uit vier mitrailleurs, maar het type werd ook wel uitgerust met twee mitrailleurs en twee 20 mm kanonnen of met twee mitrailleurs van 12,7 mm. Voorts kon het toestel 200 kg bommen meevoeren of zes RS-82 raketten.

Voor de opleiding van piloten werden van het type 5, 6 en 10 exemplaren uitgevoerd met dubbele cockpit en dubbele bediening.