В августе 1937 г. Н. Н. Поликарпов, проанализировав динамику развития авиации, понял, что уже очень скоро потребуются истребители с максимальной скоростью не менее 550 км/ч. А этого можно было достичь при установке на самолетах двигателей, развивающих мощность не менее 1000–1100 л.с. К сожалению, отечественная промышленность таких серийных моторов еще не выпускала. Однако КБ запорожского завода № 29 уже завершало стендовую отработку нового мотора М-88, мощность которого была близка к требуемой. Он представлял собой развитие семейства моторов, созданных на базе французского двигателя Гном-Рон «Мистраль-Мажор» K-14krsd — М-85, М-86, М-87, — и отличался сравнительно небольшими габаритами и высокой удельной мощностью.
Так появились проекты модификации истребителей И-16 4 и И-16 5 с двигателем М-88 (И-16 4–2 и И-16 5–2). Проект И-16 4–2 Поликарпова заставили передать во вновь сформированное в Новосибирске на заводе № 153 КБ Сильванского вместе с разрабатывавшими его конструкторами. На его основе впоследствии был создан истребитель И-220. Но, несмотря на это, Поликарпов не прекращал работу над И-16 5 с М-88. Постройка, доводка и летные испытания И-16 4 и И-16 5 с моторами М-25Е и М-62 позволили уточнить ряд параметров, внести изменения в конструкцию. На этом этапе создание новой машины проводилось под флагом глубокой модификации истребителя И-16 — И-16 5 с М-88. С каждым новым шагом проект все дальше отдалялся от оригинала. В конце 1937 г. Николай Николаевич подготовил задание винтовому заводу на проектирование винта изменяемого шага к новой машине. Все указанные работы выполнялись в инициативном порядке, без официально утвержденного задания. Руководство ВВС не проявляло к ним большого интереса, хотя в упомянутом в предыдущей главе задании ВВС для КБ Поликарпова на 1938–1939 гг. стоял пункт о создании скоростного истребителя с мотором воздушного охлаждения.
Авиаконструктор А. С. Яковлев писал в своих воспоминаниях, что в начале Гражданской войны в Испании И-15 и И-16 встретились с первыми экземплярами истребителя «Мессершмитт» Bf-109B: «Наши истребители по скорости не уступали «Мессершмиттам», но оружие у тех и у других было примерно равноценное…, маневренность у наших была лучше, и «мессерам» сильно от них доставалось. Этому обстоятельству руководители нашей авиации очень радовались. Создалась атмосфера благодушия, с модернизацией отечественной истребительной авиации не спешили».
После перевода КБ на завод № 156 Николай Николаевич получил от Первого главного управления наркомата оборонной промышленности, которое тогда возглавлял С. В. Ильюшин, разрешение на проектирование нового истребителя. Он получил обозначение И-180. Хотя в документации КБ вплоть до конца января 1938 г. старое обозначение И-16 5–2 какое-то время сохранялось. К середине января 1938 г. стало ясно, что машина «сложилась» и может иметь неплохие летные характеристики: максимальную скорость у земли 478 км/ч, на высоте 5000 м — 572 км/ч, время набора высоты 5000 м составляло 3,86 мин.
Заместитель Н. Н. Поликарпова Дмитрий Людвигович Томашевич курировал все этапы создания машины. Ведущим инженером по И-180 был назначен А. Г. Тростянский. Позже он вспоминал:
«Ознакомившись с разработанным Поликарповым проектом, я высказал сомнение относительно расчетной максимальной скорости полета 557 км/ч: я считал, что это слишком большой скачок от максимальной скорости самолета И-16, которая едва достигала 450 км/ч. Николай Николаевич ответил: «Максимальная скорость подсчитана аккуратно. Кое-что припасено «про запас». Кроме того, я уверен, что конструктор двигателя выдал заниженную мощность. Так что, в общем, заявленную скорость 557 км/ч можно считать гарантированной».