В начале 1933 года только что поступивший на авиационный завод летчик-испытатель Валерий Павлович Чкалов познакомился с авиаконструктором Николаем Николаевичем Поликарповым. Несмотря на то, что у пилота была нелестная слава «воздушного хулигана» и «штрафника», а его уровень технических знаний был не столь высок, Поликарпов попросил назначить Чкалова шеф-пилотом конструкторского бюро.

В то время шла работа над новым истребителем. Чкалов наравне с инженерами пристально изучал чертежи И-16, следил за сборкой каждого узла. В итоге получился достаточно необычный самолет: конструкция обтекаемой формы, короткие непривычного профиля крылья, короткий цилиндрический фюзеляж, убирающееся шасси. Чкалов прозвал его «ишачок».

31 декабря И-16 вывели на взлетную полосу. При первых же испытаниях выяснилось, что на нем трудно удерживать прямолинейное направление разбега. В воздухе же самолет часто сваливался на крыло, срывался в штопор. Много хлопот доставляло шасси.

В какой-то момент руководство даже начало сомневаться в целесообразности работы над И-16, и испытания приостановили. Но Чкалов верил в самолет и обратился за помощью к наркому тяжелой промышленности Григорию Константиновичу Орджоникидзе. Тот распорядился продолжить работу.
Когда истребитель был готов и уже поступил на вооружение, Чкалов лично ездил по строевым летным частям и показательными полетами убеждал рядовых пилотов в совершенных по тому времени качествах машины.

За упорный труд по созданию И-16 конструктор Поликарпов и летчик-испытатель Чкалов получили самую высокую награду СССР — орден Ленина.

Истребитель выпускался серийно почти 8 лет в 24 модификациях. Все это время он непрерывно совершенствовался, увеличивалась мощность двигателя и, соответственно, скорость, усиливалось его вооружение. Однако формы и обводы фюзеляжа, крыла, оперения, основные размеры оставались теми же. Последний, 24-й тип самолета, созданный в 1939 году, с двигателем М-63 развивал скорость свыше 500 км/час.

Существовало несколько вариантов его вооружения, но чаще всего на истребителе устанавливались два пулемета и две пушки.

В начальные годы Великой Отечественной войны истребитель активно участвовал в боях. На этой машине было совершено множество подвигов. Например, именно на И-16 в августе 1941 года Виктор Васильевич Талалихин осуществил первый в мире ночной таран. Эти самолеты были на вооружении советских летчиков до 1944 года.