Для изучения проблем высотных полетов несколько самолетов И-16 были оборудованы турбокомпрессорами ТК-1 (по два на каждый самолет). Турбокомпрессоры имели диаметр 285 мм, разместить их под капотом двигателя сразу за цилиндрами оказалось непростой задачей. Первый И-16В с двигателем М-225А и двумя турбокомпрессорами ТК-1 вышел на испытания во второй половине 1938 г. Он стал первым советским высотным истребителем. Чуть позже начались испытания высотных И-16 с двигателями М-25В и М-62. Установка турбокомпрессоров ТК-1 резко увеличило вероятность возникновения пожара в полете, поскольку горячие отработанные газы турбокомпрессора выводились по бортам деревянного фюзеляжа. Чтобы снизить пожароопасность, центроплан крыла и борта фюзеляжа обшили стальными листами.

В течение 1939 г. испытания опытных высотных истребителей продолжились. Оснащенный двумя турбокомпрессорами ТК-1 самолет И-16 заводской номер 1021582 с двигателем М-25В достиг скорости 494 км/ч на высоте 8600 м. а после установки мотора М-62 максимальная скорость превысила значение 500 км/ч. Изучалась возможность установки на И-16 гермокабины ГК, но это оказалось невозможным. Дело было вовсе не в дополнительной массе, которую давала гермокабина (всего 29 кг), а в том что местоположение этой дополнительной массы окончательно переводила самолетов в разряд неустойчивых, смещая назад центр тяжести. Вероятно именно по причине невозможности установки на И-16 гермокабины дальнейшие работы по высотным вариантам истребителя прекратили.

Помимо значительных доработок. в конструкцию И-16 вносились и более мелкие изменения:

— эксперименты с переносом воздухозаборника карбюратора из нижней в верхнюю часть капота двигателя.

— замена хвостового костыля хвостовым колесом (1940 г.).

— установка фонаря с плоскими поверхностями остекления, снижающими бликообразование.

— монтаж нового закрытого фонаря кабины. Доработанный таким образом в марте 1938 г. И-16 заводской номер 5210601 испытывали Табаровский, Супрун и Никашин, новый фонарь не понравился никому.

— в 1937 г. И-16 заводской номер 5210671 подготовили к установлению женского рекорда скорости. Лететь на рекорд предстояло Валентине Гризодубовой, но осенью того же года машину разбил Валерий Чкалов.

— летом 1940 г. в военно-морских авиаремонтных мастерских два истребителя И-16 тип 24 оснастили бомбодержателями, рассчитанные на подвеску 10 15-кг авиабомб или одной 100-кг бомбы. Самолеты проходили испытания в авиационной бригаде № 62 Черноморского флота.

— летом 1941 г. на двух истребителях И-16 тип 29 смонтировали по четырем направляющих (по две под каждой плоскостью крыла) для реактивных снарядов PC-132. Испытания самолеты проходили с 18 по 26 июня.

— в первой половине 1941 г. значительное количество истребителей И-16 оборудовали бомбодержателями для подвески или двух 100-кг бомб, или двух подвесных дополнительных топливных баков ПСБ-1.

Перечисление экспериментов с участием И-16 было бы не полным без упоминания опытов по дозаправке самолетов в воздухе. Разработка системы дозаправки в воздухе началась в 30-е г. специализированным конструкторским бюро № 1 ВВС, руководил проектированием инженер Запакованный. Летные эксперименты проводились сначала с участием бомбардировщиков ТБ-1 и разведчиков Р-5. К 1935 г. удалось полностью отработать чертежи системы, достаточно простой на бумаге. По идее процесс выглядел следующим образом: с ТБ-1 сбрасывался шланг, со шлангом специальной штангой, установленной по левом у борту, стыковался истребитель И-16. После окончания приема топлива происходило автоматическое рассоединение штанги и шланга. Уже первые полеты выявили невозможность летчика истребителя уравнивать скорость самолета со скоростью заправщика регулируя обороты двигателя штатным сектором газа. Испытания продолжили в июне 1936 г., после того как сектор газа был перенесен на ручку управления. Летали летчики-испытатели Соколов. Супрун и Евсеев.

Опытнейший пилотажник лейтенант Евсеев в июне 1936 г. осуществил два первых успешных контакта с танкером в воздухе. Результаты этих испытания были востребованы после окончания второй мировой войны при отработке системы дозаправки в воздухе реактивных самолетов.

В 1939 г. мало кто сомневался, что эра истребителя И-16 близка к завершению. Даже установка моторов М-62 и М-63 не позволила самолету превысить скорость 500 км/ч. Существенно улучшить летные характеристики И-16 можно было путем установки двигателя М-64 взлетной мощностью 1200–1300 л.с. Этот двигатель конструкторы прождали до 1941 г., однако М-64, последний девятицилиндровый мотор, так и не поставили на поток.

Поликарпов считал возможным несколько улучшить аэродинамику самолета заменой полотняной обшивки на фанерную. Летом 1939 г. на И-16 заводской номер 1721103 установили фанерную обшивку толщиной 2,5 мм. аналогичную процедуру провели с И-16 тип 24. Последний на испытаниях в НИИ ВВС достиг скорости 489 км/ч, больше, чем серийные истребители. Однако прирост скорости был связан скорее с установкой двигателя М-63, хотя и гладкая обшивка внесла свой вклад. Рекомендация о внедрении новой обшивки в серийное производство реализована не была.

Серия испытаний, проведенная в 1939 г., показала — улучшить характеристики И-16 как истребителя невозможно. Однако стоит попробовать добиться лучших пикирующих свойств самолета. Для этого следовало стабилизатор устанавливать с небольшим положительным углом атаки. Исследования показали, что комбинация задней центровки и нейтральной установки стабилизатора создавала слишком большие усилия на ручке при переводе летчиком самолета в пикирование. На истребителей первых серий этот недостаток проявлялся не так явно, поскольку они не имели бронеспинок, аккумуляторных батарей, радиостанций, проще говоря — у них центр тяжести находился ближе к носовой части, чем у И-16 поздних выпусков, на которых центр тяжести находился на 35 % длины средней аэродинамической хорды крыла. Испытания, проведенные в 1939 г., показали, что зона неустойчивости самолета на режиме пикирования с убранным шасси начинается при смещении центра тяжести на 32–33 % длины средней аэродинамической хорды крыла. Летчик-испытатель капитан Хабаровский разбился на И-16 заводской номер 1021101 когда центровка самолета составляла 33,6 % САХ. В результате было принято решение ограничить центровку строевых истребителей значением 33 % САХ. Неустойчивость по тангажу на И-16 преодолеть так и не удалось, самолет оставался неустойчивой платформой для ведения прицельной стрельбы. Проблема заключалась в изначально неверном распределении массы планера.