Одноместный истребитель Поликарпов ЦКБ-12 был спроектирован весной 1933 г. Это был коренастый свободнонесущий низкоплан со звездообразным двигателем, деревянным фюзеляжем типа монокок и металлическим крылом с разрезными элеронами большого размаха, которые служили посадочными закрылками. Основные стойки шасси вручную убирались в крыло. Опытный самолет с двигателем М-22 мощностью 358 кВт (480 л.с.) совершил первый полет 31 декабря 1933 г. Самолет ЦКБ-12бис со звездообразным двигателем Райт Циклон (Wright Cyclone) SR-1820-F3 мощностью 529 кВт (710 л.с.) поднялся в воздух 18 февраля 1934 г. С двигателем М-22 самолет развил максимальную скорость на уровне моря 359 км/час (233 миль/час), а с двигателем Циклон - на высоте 3000 м (9845 футов) достиг скорости 437 км/час (272 миль/час). И-16 оказался очень строг в управлении, но его скорость, маневренность и великолепная скороподъемность сделали эту машину одним из лучших истребителей 30-хгг. Для оценочных испытаний была построена партия из 30 самолетов с двигателями М-22, и 10 из них принимали участие в параде над Москвой 1 Мая 1935 г. Производство окончено в 1939 г.

Самолет И-16 был восстановлен в 1941-42 гг. с двигателем М-63 мощностью 820 кВт (1100 л.с.). Всего произведено 7005 машин (по другим данным 9450). С 1935 г. истребители серии И-16 Тип 4 (с импортным двигателем Циклон) и Тип 5 (двигатель М-25) поставлялись в ВВС СССР. Поставки самолетов Тип 5 в Испанию начались в 1936 г., затем последовали Тип 6 (М-25А) и Тип 10 (М-25В). Типы 5 и 6 были окрещены "Mosca" (муха), а Тип 10 "Super Mosca". В Испанию было поставлено 278 самолетов И-16; по лицензии было произведено до марта 1939 г. 10 машин Тип 10 - компанией Испано-Сюиза (Hispano-Suiza), 30 экземпляров построено при режиме Франко.

Самолеты И-16 сражались в Китае в 1937 г., переукомплектовав две эскадрильи И-15бис. В 1938 г. истребители И-16 Тип 10 начали поступать в китайские подразделения, а в 1939 г. они были вовлечены в воздушные бои на маньчжурской границе. Самолеты И-16 приняли заметное участие в зимней войне с Финляндией в 1939-40 гг. К июню 1941 г., когда они оказались уже устаревшими, две трети истребителей советских ВВС составляли именно самолеты И-16. Они понесли тяжелые потери.

В конце 1943 г. самолеты И-16 были окончательно списаны. И-16 стал предшественником всех истребителей конструкции свободнонесущий низкоплан с убирающимся шасси, использовавшихся в крупном масштабе.