Вал несущего винта имел диаметр 530 мм и заканчивался ступенчатым срезом для соединения с автостартером. Приборная доска крепилась к шпангоуту № 3, в ее верхней части находилось рукоятки перезарядки фюзеляжных пулеметов. Форма приборной доски фактически не менялась на протяжении всего серийного производства. Цвет приборной доски — черный. Днем приборная доска подсвечивалась снаружи через две небольших щели, располагавшиеся в бортах фюзеляжа чуть ниже прозрачного козырька, ночью — двумя лампочками. Лампочки крепились ниже базы прицела.

После отделки перед окраской наружные поверхности фюзеляжа покрывались алюминиевым лаком АПА. Консоли крыла и все хвостовое оперение поставлялось на сборку уже окрашенным, металлические капоты двигателей и створки шасси — чаще всего неокрашенными. Облет производился на неокрашенном самолете. После устранения выявленных на испытаниях дефектов машина поступала в покрасочных цех. Истребитель красили в стандартные цвета советских ВВС — темно-зеленый верх и светло-голубой низ.

Летом 1937 г. совместным решением ВИАМ и ГУАП все самолеты монококовой конструкции предписывалось окрашивать матовым алюминиевым лаком, но де-факто истребители продолжали красить зелено-голубой гаммой. Красные звезды наносились на борта фюзеляжа, верхние и нижние поверхности крыла. Звезды были двух типов — без окантовки и с окантовкой черного цвета. Тактические номера чаще всего наносили на руле поворота, однако в целом место нанесения номеров и стиль написания цифр отдавались на откуп командирам полков. После Испании на И-16 ВВС РККА тактические номера очень часто стали писать крупно на бортах фюзеляжа в районе козырька кабины летчика. Ветераны боев на Пиренеях говорили, что такие номера легче различать в полете.

В течение длительного времени единственной технической надписью на поверхности самолета являлась надпись в районе шпангоута № 9: «держать здесь». В этом месте на фюзеляж заводился хомут, когда было необходимо поднять хвост, чтобы установить самолет на линию полета (например при пристрелке оружия). На дополнительных топливных баках в районе дренажных отверстий имелись надписи: «перед взлетом сними заглушку».

Капоты двигателей изготовления московского завода № 39 поставлялись окрашенными в черный цвет. Наиболее ярко окрашивались самолеты пилотажной группы, известной как «Красная пятерка». Некоторые из них были целиком красными, другие окрашивались в комбинацию серебристого и красного цветов. На нижней поверхности самолетов пилотажной группы героя войны в Испании Анатолия Серова изображалось белой краской по одной крупной букве. Когда группа летела в плотном строю, с земли можно было легко прочитать слово: «Ленин». Перед началом войны свою пилотажную группу на И-16 имел практически каждый военный округ, установить окраску всех пилотажных самолетов сегодня уже не представляется возможным.

Самолеты пилотажных групп принимали участие в воздушных боях начального периода Великой Отечественной войны. Существуют свидетельства летчиков, видевших летом 1941 г. в небе красные И-16. В конце 1941 г. для защиты Сталинграда от налетов немецкой авиации была сформирована 102-я истребительная авиационная дивизия ПВО. Личный состав дивизии набирался из курсантов Сталинградского и Борисоглебского авиационных училищ. На вооружение входивших в состав дивизии 628-го и 629-го истребительных авиационных полков находился разномастный парк самолетов, но основную массу составляли И-153 и И-16. Летчик 629-го ИАП Александр Попов вспоминал, что ему достался И-16 тип 10, когда он поскоблил зеленую краску, то обнаружил слой изначальной красной окраски. Сержант Попов с удивлением установил, что ранее на этом самолете летал никто иной, как Анатолий Серов. На истребителе, некогда летавшем над Красной площадью, Александр Попов сбил 23 июля в небе Сталинграда бомбардировщик Do-215.

Осенью 1936 г. И-16 впервые получили иностранный камуфляж. В Испании законцовки крыльев истребителей окрашивали в красный цвет, широкая полоса красного цвета наносилась вокруг фюзеляжа, руль направления окрашивался в цвета государственного флага республики Испания: красный, желтый, фиолетовый. Тактические номера наносились черной или белой краской, стиль цифр сильно разнился. В Испании были популярные индивидуальные эмблемы самолетов, которые рисовали по бортам фюзеляжа или на киле. Хорошо известен истребитель Антонио Ареаса с изображением моряка на киле. Известны также эмблемы в виде пеликана, дымящейся бомбы, костяшки домино «6:6».

В 1937 г. в Китае на истребители И-16 наносились опознавательные знаки гоминдановских ВВС: 12 белых звездочек на голубом фоне. Для быстрой идентификации китайские «ишачки» получили белые полосы вокруг фюзеляжей. Коки винтов и законцовки крыльев часто окрашивались в яркие цвета.

Отдельные самолеты, принимавшие участие в боях в Испании и на Халхин-Голе имели камуфляжную окраску из мелких пятен неправильной формы, нанесенных поверх базового зеленого цвета.

В 1941 г. в ВВС РККА была введена новая схема окраски и нанесения опознавательных знаков на военные самолеты. Верхние и боковое поверхности имели черно-зеленый камуфляж, звезды наносились только на. нижние поверхности крыла, на борта фюзеляжа и на киль. Перекрасить все истребители И-16 по новому стандарту до начала войны не успели. В предвоенные годы И-16 строевых полков советских ВВС не имели индивидуальных отличий, за исключением тактических номеров, очень редко встречались эмблемы в виде молний (обычно на самолетах командиров эскадрилий и полков). После начала войны самолеты быстро стали приобретать индивидуальную символику (если успевали). Так, на фюзеляже самолета Ивана Криворученко из 102-й НАД ПВО была изображена стрела, а на киле — Золотая Звезда Героя Советского Союза. Героем Криворученко стал еще на Халхин-Голе. Все же в 1941 г. советские летчики старались не привлекать внимание противника персональными эмблемами. Пилоты люфтваффе стремились в первую очередь сбивать самолеты с яркой символикой. Тем не менее, различные патриотические надписи получили широкое распространение. На И-16 командира эскадрильи 72-го смешанного авиаполка ВВС Северного флота лейтенанта Бориса Сафонова с одной стороны имелась надпись «За Сталина!», с другой — «Смерть фашистам». «Ишачок» его ведомого сержанта Сурженко украшали надписи «За СССР!» и «За Коммунистическую Партию».