Первый полет на прототипе с двигателем М-22 выполнил 30 декабря 1933 г. летчик-испытатель Государственного авиационного завода № 39 Валерий Чкалов. Второй прототип поднялся в воздух вскоре после Нового года. Чкалов нашел, что истребитель сложен в пилотировании, управлять им тяжело и непривычно. Летные испытания и доработки чередовались на протяжении всего января 1934 г. В феврали 1934 г. оба прототипа предъявили на 1-й этап Государственных испытаний. На самолете с двигателем М-22 летал Владимир Коккинаки, на самолете с Райт «Циклоном» — Василий Степанчонок. Полеты проводились, не взирая на плохую погоду с низкой и плотной облачностью. В последних числах февраля оба опытных истребителя вернули на завод для исправления замечаний и подготовки к новому этапу летных испытаний, в частности предстояло сменить лыжи на колеса.

Летные характеристики прототипов по результатам десятидневных испытаний

Снятые в ходе летных испытаний характеристики обоих прототипов оказались очень близки, истребители продемонстрировали великолепную маневренность, однако у маневренности имелась оборотная сторона: самолет не допускал полет с брошенной ручкой управления. Посадку оценили как весьма сложную. Тем не менее, И-16 проявил себя на посадке более устойчивым, по сравнению с конкурентом — истребителем И-14, кроме того, И-16 был меньше подвержен развороту на посадке.

Полет на И-16 с мотором М-22 оказался более комфортным, чем на прототипе с Райт «Циклоном»; на последнем отмечались сильные вибрации. Возможно, что именно по причине вибрации второго прототипа для облета другими летчиками-испытателями (Юмашев и Чернавский) был выделен И-16 с М-22, первый прототип. У летчиков облета сложилось смешанное впечатление от самолета: самолеты более чем опасные, выполнять на нем фигуры высшего пилотажа не допустимо. Тем не менее, решение о запуске И-16 в серию осталось в силе, но Алкснис, ознакомившись с мнением Юмашева и Чернавского, специальным приказом разрешил пилотировать И-16 только самым опытным летчикам.

Среди второстепенных недостатков, отмеченных в ходе летных испытаний фигурировали: проблемы с подачей топлива к двигателю, неудовлетворительное качество фонаря кабины, неудобная привязная система кресла пилота. Летчики также отмечали неудобный доступ в кабину самолета, требуя от конструкторов снабдить истребитель хотя бы ременной петлей для опорной ноги. Данный дефект отмечали абсолютно все летчики, пилотировавшие И-16. Его так и не устранили, так как все усилия были направлены на «вылизывание» аэродинамики истребителя. Через несколько лет советские авиаконструкторы, осматривая трофейный японский истребитель Ki-97, нашли решение проблемы. В кабине японского самолета одним концом закреплялся ремень. Летчик забирался в кабину, держась на ремень, примерно так же, как всадник на коня. Удивительно, но появилась рекомендация оборудовать советские истребители подобными, с позволения сказать, «устройствами».

После устранения многочисленных дефектов пару опытных И-16 отправили далеко от заснеженной взлетно-посадочной полосы Центрального аэродрома на Ходынке. Самолеты направили в теплый Крым, на аэродром Качинского авиационного училища летчиков. Но раньше, чем истребители погрузили на железнодорожные платформы над их дальнейшей судьбой сгустились тучи.

Особое внимание стало уделяться штопорным характеристикам самолетов… Истребитель И-14 прошел обширные исследования в ЦАГИ, после чего выяснилось, что самолет недопустимо долго выходит из штопора из-за затенения горизонтального оперения крылом. Представители ЦАГИ посчитали, что штопорные проблемы И-14 «всего лишь бледная тень проблем И-16». Ведущий ученый в области штопора профессор Журавченко на основе продувок в аэродинамических трубах заявил, что истребитель И-16 имеет слишком короткий фюзеляж, из-за чего существует опасность попадания самолета в плоский штопор. Журавченко рекомендовал удлинить фюзеляж для увеличения момента, создаваемого горизонтальным оперением, хотя бы до уровня момента горизонтального оперения истребителя И-14. В период с 16 января по 27 февраля 1934 г. проходили многочисленные совещания с участием ученых, конструктов и летчиков. Дискуссии не привели к какому-либо определенному решению. Стороны сошлись на том, что результаты продувок в аэродинамических трубах могут быть подтверждены или опровергнуты только летными испытаниями. Рисковать прототипом с мотором Райт «Циклон» не стали, для испытаний на штопор был выделен прототип И-16 с М-22.

В течение двух дней, 1 и 2 марта 1934 г., Валерий Чкалов выполнил не менее 75 штопоров. Результаты оказались следующими:

— при потере скорости в случае нейтрального положения ручки управления самолет вообще не входит в штопор, в худшем случае выполняя переворот через крыло с последующим самостоятельным выходом в горизонтальный полет.

— в случае намеренного провоцирования штопора отклонением рулей, самолет вращается с постоянной угловой скоростью. После возвращения рулей в нейтральное положение самолет легко выходит из штопора.

— тенденций к попаданию в плоский штопор не выявлено.

Полеты Чкалова 1 и 2 марта оказали решающее влияние на судьбу И-16. Фактически было снято главное препятствие на пути к серийному производству истребителя. Результаты штопорных испытаний вселили дополнительную уверенность в разработчиков самолета, а также способствовали росту их авторитета у руководителей партии и правительства. В то время никто не мог предвидеть, что сделан всего лишь первый шаг в долгой борьбе с недостатками и капризами маленького истребителя.

Эксплуатационные испытания начались 22 марта 1934 г. в Каче. Значения максимальной скорости, полученные в полетах с убранным шасси летчиком-испытателем Коккинаки на И-16 с М-22, для того времени оказались экстраординарными: 359 км/ч у земли и 325 км/ч на высоте 5000 м! В то же время механизм уборки шасси работал ненадежно, кроме того уборка шасси требовала от летчика недюжинных физических усилий, даже если в кабине сидел такой богатырь как Чкалов. Проблемы с уборкой шасси привели к тому, что летавшему на И-16 с Райт «Циклоном» Чернавскому на первых порах запретили убирать шасси; стойки были зафиксированы в выпущенном положении. Впрочем, это не все равно не уберегло самолет от аварии. На посадке 14 апреля подломилась правая стойка основной опоры шасси. Испытания второго прототипа в Каче таким, не самым лучшим, образом завершились. Через неделю самолет разобрали и отправили по железной дороги в Москву на ремонт. Первый прототип 25 апреля вернулся в Москву «своим ходом», его перегнал из Качи Чкалов. На первомайском параде самолет И-16 в кампании с И-15 и И-14 был показан в полете над Красной площадью.