苏联第一种悬臂式下单翼，可收放起落架的战斗机。原型机TsKB-12于1933年由波利卡波夫开始设计。初期，飞机装M-22发动机（Wright-Cyclone SGR 1820）。飞机试飞后，波利卡波夫认为M-22发动机功率偏小，决定换装 M-25发动机（Wright-Cyclone SGR 1820 F3），即改型为TsKB-12bis型。在12bis接近设计完成时，苏共中央决定以I-16-4型的编号投入批量生产。由于M-25发动机的生产一直未能正常，所以前期的I-16-4有一些装美国的1820 F3发动机或以M-22发动机临时代替。1934年2月18日由著名飞行员V.P.Chkalov进行试飞。1935年4型在红场纪念五一国际劳动节的群众集会上首次露面，编队飞过红场上空。随后，4型生产了约400架，开始装备部队。1935年7月，装M-25发动机和ShKAS机枪的5型开始生产，产量约1500架。在1935-1937年间5型是当时世界上飞得最快的战斗机，在西班牙内战时性能明显优于叛军的Fiat CR-12双翼战斗机。到1941年6月22日卫国战争开始时，苏军第一线作战飞机中还有大量5型。和5型同时生产的6型缩小了背部的背脊，改善飞行员的后方视野