В 1937 г. в Китае на истребители И-16 наносились опознавательные знаки гоминдановских ВВС: 12 белых звездочек на голубом фоне. Для быстрой идентификации китайские «ишачки» получили белые полосы вокруг фюзеляжей. Коки винтов и законцовки крыльев часто окрашивались в яркие цвета.
Отдельные самолеты, принимавшие участие в боях в Испании и на Халхин-Голе имели камуфляжную окраску из мелких пятен неправильной формы, нанесенных поверх базового зеленого цвета.
В 1941 г. в ВВС РККА была введена новая схема окраски и нанесения опознавательных знаков на военные самолеты. Верхние и боковое поверхности имели черно-зеленый камуфляж, звезды наносились только на. нижние поверхности крыла, на борта фюзеляжа и на киль. Перекрасить все истребители И-16 по новому стандарту до начала войны не успели. В предвоенные годы И-16 строевых полков советских ВВС не имели индивидуальных отличий, за исключением тактических номеров, очень редко встречались эмблемы в виде молний (обычно на самолетах командиров эскадрилий и полков). После начала войны самолеты быстро стали приобретать индивидуальную символику (если успевали). Так, на фюзеляже самолета Ивана Криворученко из 102-й НАД ПВО была изображена стрела, а на киле — Золотая Звезда Героя Советского Союза. Героем Криворученко стал еще на Халхин-Голе. Все же в 1941 г. советские летчики старались не привлекать внимание противника персональными эмблемами. Пилоты люфтваффе стремились в первую очередь сбивать самолеты с яркой символикой. Тем не менее, различные патриотические надписи получили широкое распространение. На И-16 командира эскадрильи 72-го смешанного авиаполка ВВС Северного флота лейтенанта Бориса Сафонова с одной стороны имелась надпись «За Сталина!», с другой — «Смерть фашистам». «Ишачок» его ведомого сержанта Сурженко украшали надписи «За СССР!» и «За Коммунистическую Партию».
Один самолет И-16 тип 18 совершил в 1940 г. вынужденную посадку на территории Финляндии. Истребитель вернули в пригодное к полетам состояние, но финны на нем так и не летали. В начале 1941 г. машину передали немцам. В годы Великой Отечественной войны финны захватили пять И-16 и один УТИ-4. УТИ-4 и один И-16 отремонтировали. Одноместный самолет летал до 1943 г., а УТИ-4 сохранился до наших дней в музее финских ВВС.
Основные отличия серийных модификаций истребителя И-16
И-16 тип 4 с двигателем М-22
Основным отличием первой серийной модификации истребителя И-16 являлся цилиндрический капот двигателя типа NACA.
И-16 тип 5 с двигателем М-25А
Серийное производство истребителей И-16 тип 5 продолжалось с середины 1935 г. по февраль 1938 г. От самолетов «тип 4» истребители И-16 тип 5 практически отличались только двигателем. Внешние отличия — несколько измененная форма капота и наличие кока воздушного винта. Позже на колеса самолетов И-16 тип 5 стали устанавливать пневматики размером 700x150, а фиксированный козырек заменил сдвижной фонарь кабины, был уменьшен размах элеронов и введены дополнительные нервюры в силовой набор крыла.
И-16 тип 6 с двигателем М-25А
Данная модификация выпускалась в небольших количествах специально для Испании, в нижней части фюзеляжа монтировался третий пулемет ШКАС. На самом деле, ни один истребитель И-16 тип 6 в Испанию не прибыл.
И-16 тип 10 с двигателем М-25В
Истребители И-16 тип 10 выпускались в течение трех лет и получили очень широкое распространение. Им были присущи следующие характерные отличия:
1. установлен более мощный двигатель М-25В
2. вооружение усилено двумя синхронными пулеметами ШКАС, смонтированными над двигателем
3. сдвижной фонарь кабины летчика заменен фиксированным козырьком
4. прицел ОП-1 заменен на прицел ПАК-1
5. усилена конструкция крыла за счет включения в силовой набор дополнительных нервюр, передняя часть крыла получила дюралюминиевую обшивку, которая закрывает 44,5 % верхней поверхности и 14,5 % нижней поверхности консоли
6. введены посадочные щитки, уменьшен размах элеронов, начиная с самолета заводской номер 102175 установлен механический привод щитков вместо пневматического
7. усилена конструкция фюзеляжа
8. установлен новый маслорадиатор, в нижней части лобовой детали капота двигателя появилось отверстие для подвода воздуха к маслорадиатору.