7 сентября 1934 г. новый самолет перевезли на аэродром Щелково, где находился НИИ ВВС. Государственные испытания продолжались до 12 октября. Заключение по результатам испытания оказалось более категоричным и менее приятным.
Отмечалось неудовлетворительное изготовление ряда узлов самолета.
Алкснис потребовал установить на самолет вооружение, поскольку без пулеметов И-16, естественно, не мог считаться истребителем. Полученная на высоте 3000 м максимальная скорость в 437 км/ч уже не устраивала хотевших большего военных. Установка разработанного в Советском Союзе двигателя М-58 с меньшим, чем у «Циклона», миделем могла обеспечить самолету получение максимальной скорости 470 км/ч в горизонтальном полете у земли. Вариант И-16 с мотором М-58 так и не был построен.
В это время начался серийный выпуск истребителей И-16 на Государственных авиационных заводах № 39 в Москве и № 21 в Горьком. Первый был назначен головным, здесь предстояло изготовить установочную партию из 50 самолетов. В январе-апреле 1934 г. вся конструкционно-технологическая документация по истребителю была отправлена в Горький. Несмотря на то, что серийный выпуск истребителей И-5 в Горьком близился к завершению, завод № 21 затягивал выпуск И-16. Зато велась подготовка к серийному производству самолетов ХАИ-1 и И-14, заказанных ранее. Работы по подготовке серии И-16 на заводе № 21 начались не ранее 17 июля. Плановым заданием до конца года в Горьком предстояло изготовить 250 истребителей И-16. Данный фантастический план конечно же не был реализован, до 31 декабря завод не сдал ни одного И-16.
Истребителю И-16 предстояло вслед за И-5, ХАИ-1 и И-14 стать четвертым типом самолета, освоенным на заводе № 21. Первая модификации ставшего впоследствии знаменитым истребителя оснащалась мотором М-22 и получила обозначение «И-16 тип 4». Выпуск И-16 тип 4 продолжался весь 1935 г. С учетом производства завода № 39 было изготовлено порядка 400 И-16 тип 4. Эти самолеты не экспортировались за пределы Советского Союза и не принимали участия в воздушных боях над Испанией или Китаем, однако в 1941 г. тип 4 все еще имелся на вооружении учебных авиационных полков ВВС РККА и даже сражались с самолетами люфтваффе.
Довольно точно можно установить количество истребителей И-16 тип 4 производства завода № 39. По данным ЦКБ в 1934 г. в Москве изготовили пятьдесят самолетов с заводскими номерами от 123901 по 123950 («12» — ЦКБ-12, «39» — завод № 39, «1-50» — номер самолета). Еще по четыре И-16 тип 4 завод № 39 построил в 1935 и 1936 г.г., последний имел заводской номер 123958. Ни в коем случае нельзя считать все эти самолеты копиями прототипа с мотором М-22. В их числе было несколько экспериментальных машин, в том числе пять истребителей, изготовленных специально для пилотажной группы, «Красной пятерки».
По мере расширения объема летных испытаний, с началом серийного производства информация о новом самолете распространялась по все большему кругу людей. Персональный интерес к И-16 проявил Хозяин, Иосиф Сталин. В один из ноябрьских дней 1934 г. на Ходынское поле въехала колонна лимузинов. На аэродром прибыли Сталин. Орджоникидзе. Каганович, Микоян и прочие боссы партии и правительства калибром помельче. Вождь пожелал увидеть новейший истребитель в воздухе. Валерий Чкалов поразил присутствующих каскадом фигур высшего пилотажа. Эпизод с приездом Сталина на Ходынку стал хрестоматийным, не раз и не два его (эпизод) эксплуатировали киношники, писатели, журналисты. В полете у Чкалова заклинил механизм выпуска шасси. Летчик заставил опоры встать на замки серий маневров с большими перегрузками. После успешной посадки Сталин попросил подвести к нему летчика. Прямо у крыла И-16 состоялась беседа вождя не только с Чкаловым, но и другими пилотами, летавшими на И-16, с представителями ВВС, КБ и заводов. К этому времени на И-16 уже слетали примерно 20 пилотов, частью эти полеты носили официальный характер, частью — давали полетать «по дружбе».
Внимательно выслушав всех, вождь задал вопрос: «Вам необходим этот самолет?» Ответ был единогласным: «Абсолютно необходим, товарищ Сталин!» Тогда же приняли решение о постройки пяти облегченных И-16 и организации пилотажной группы, призванной демонстрировать высокие летные качества нового самолета. В марте 1935 г. пять облегченных истребителей с моторами Райт «Циклон» покинули заводской цех. Отобранные из НИИ ВВС летчики приступили к отработке группового пилотажа. Сначала они тренировались в полетах на И-5, причем крылья машин были связаны друг с другом стальными тросами. Такие полеты требовали особой внимательности и высочайшего летного мастерства. Единственная ошибка могла привести к гибели всех летчиков. И такая ошибка произошла. На посадке ведущий группы Василий Степанчонок, чтобы не столкнуться с рулившим по аэродрому разведчиком Р-5, резко взял ручку на себя. Один из ведомых, Степан Супрун, повторить маневр командира не успел. Самолет Супруна упал на аэродром, после чего загорелся. Из охваченного огнем истребителя Супруна вытащили механики.