В том же году самолёт под названием «Спортивный самолет с максимальной скоростью 467 км/ч» был отправлен на Миланскую авиавыставку, где, впрочем, особого фурора не произвёл, так как ни скоростные, ни летные данные этого «спортсмена» не казались иностранным экспертам выдающимися. Было непонятно, на что может рассчитывать этот короткокрылый бочонок, не обладающий ни достаточной дальностью полета, ни скоростью настоящих гоночных машин. О том, что это «замаскированный» под спортивную машину истребитель, иностранные специалисты тогда так и не догадались. Мало того, практически все сошлись во мнении, что отсталая советская Россия вообще не способна серийно строить подобные самолеты. А представленный образец является якобы всего лишь деревянным макетом.
А тем временем к августу в подразделения Военно-Воздушных Сил Красной Армии стали поступать первые истребители так называемой установочной войсковой серии. Эти самолеты, оснащенные пока еще старыми двигателями М-22, получили обозначение «И-16 тип 4» (И-16 стал четвёртым самолётом, который серийно выпускался на авиазаводе № 21).
Следующая модификация (И-16 тип 5), по сути, представляла собой тот же самый тип 4, только уже с 700-сильным двигателем М-25. Поэтому капот двигателя несколько изменился.
Тип 5 стал первым из модификаций «ишачков», побывавших за рубежом. Его звездный час пришёлся на 1936 г. — начальный этап гражданской войны в Испании, где моноплан Поликарпова (вместе с бипланом И-15) поставил на место господствовавшие до этого в воздухе немецкие истребители Хейнкель Не 51 из германского легиона «Кондор» и итальянские Фиаты C.R.32 из эскадрильи «Кукарача», а также положил конец дневным полетам вражеских бомбардировщиков.
Хорошие скоростные и маневренные качества И-16 позволяли ему не только летать быстрее всех прочих самолётов, применявшихся в Испании в начале войны, но и успешно вести маневренные воздушные бои с германскими и итальянскими истребителями-бипланами.
Надо сказать, что в Испанию отправлялись улучшенные самолёты, к которым во время сборки на заводе и последующей регулировки относились с повышенным вниманием. Да и моторы для них собирались в основном из американских деталей. Эти машины называли «И-16 тип 6».
За отличную маневренность испанцы дали этим самолетам прозвище «Моска» — мушка. Впрочем, появилось у И-16 во время боевых действий в Испании и еще одно прозвище — «Рата», что в переводе на русский язык означает «крыса», и которое до сих пор преобладает в зарубежной авиационной литературе.
На первый взгляд, прозвище «крыса» совершенно не подходило к этому коротконосому, ярко раскрашенному в цвета испанского флага истребителю. Уж во всяком случае, на крыс были больше похожи длинноносые «фиаты» и поджарые «мессершмитты», выкрашенные, к тому же, в серый мышиный цвет. Но для итальянских и немецких летчиков, воевавших на стороне мятежного генерала Франко, И-16 был вовсе не безобидной мушкой, а самой настоящей злобной тварью, наносящей неотвратимый удар. Вот эта-то ненависть и вызвала появление столь обидного прозвища. Впрочем, для боевого самолёта прозвище, данное врагом, чем хуже, тем почётнее.
И-16 на авиационной выставке в Милане
Один из первых И-16 в Испании
И-16 тип 17, вооруженный двумя 20-мм пушками, стволы которых сильно выступают из передней кромки крыла
И-16 тип 24
Следующей массовой модификацией истребителя стал И-16 тип 10. Этот вариант самолета был значительно усовершенствован после того, как из Испании стали приходить сведения о реальном положении дел и о ходе воздушных боев. Малая прочность шасси и консолей крыла, недостаток мощности двигателя и слабость вооружения заставили разработчиков форсировать работу над новой моделью истребителя.
Главное, чем в положительную сторону отличался этот вариант, так это тем, что инженеры и конструкторы наконец-то «довели до ума» ненадежную кинематическую схему уборки шасси. Кроме того, на самолете поставили усиленное вооружение — добавили еще два дополнительных синхронных пулемета ШКАС над двигателем. Кроме того, на новой машине изменили козырек кабины, сделав ее открытой (что, хоть и было явным шагом назад с точки зрения аэродинамики, зато улучшило обзор и упростило лётчикам покидание подбитой машины с парашютом. Впоследствии подобным образом доработали и машины предыдущих серий). На самолете также установили посадочный щиток и уменьшили площадь элеронов, отказавшись от их «зависания». Посадочная скорость осталась прежней, зато надежность системы управления возросла. Внесли и другие изменения в конструкцию, что улучшило не только боевую, но и эксплуатационную живучесть истребителя. На самолет поставили двигатель М-25В увеличенной до 750 л.с. мощности. В таком виде версия И-16 тип 10 пошла в производство. Это была самая массовая модель истребителя. В Испании самолёт получил название «Супер Моска» или просто «Супер».
Одновременно предпринимались попытки по установке в крыльях авиационных пушек. Эти работы со временем привели к созданию версии И-16 тип 17 с усиленной конструкцией и некоторыми изменениями, связанными с увеличенной отдачей и размерами пушек. На этом же самолете хвостовой костыль заменили на маленькую стойку с колесом. Подобные самолёты принимали активное участие в боях на Халхин- Голе и впоследствии использовались не только как истребители, но и как штурмовики.