Летчики Антонио Ариаса преподнесли сюрприз противнику 17 сентября 1938 г. над Эбро в воздушном бою с эскадрильей мессершмиттов. В первой же атаке, неожиданно свалившись сверху, летчики И-16 с Райт «Циклонами» сбили четыре Bf. 109. Всего же республиканские летчики (в бою принимали участие И-16 с Райт «Циклонами», «нормальные» И-16 и И-15) сбили одиннадцать самолетов противника. Увы, это была уже прощальная песня. До конца 1938 г. все советские летчики покинули Испанию, а поставки авиационной техники из СССР прекратились. В общей сложности из Советского Союза в Испанию было отправлено 455 одноместных истребителей И-16 и 20 двухместных УТИ-4; к месту назначения прибыли 422 И-16 и четыре И-16УТИ.

Франкисты фактически организовали морскую блокаду республики: 96 советских транспортов с военным имуществом были перехвачены, а три («Комсомолец», «Тимирязев» и «Благоев») потоплены. Сложности доставки грузов морем были предсказуемы, поэтому еще в 1936 г. в Испанию прибыла техническая комиссия с целью изучения возможности изготовления самолетов на месте. Комиссия провела инспекцию 16 заводов, 22 января 1937 г. отчет о работе комиссии лег на стол наркома авиапромышленности М.М. Кагановича. Комиссия посчитала возможным организацию авиационного производства в испанской республике.

Для массового производства выбрали истребитель-биплан И-15, в Испании уже имелась техдокументация на этот самолет, так же как и значительный запас узлов и агрегатов для него. Сборка И-16 была предпочтительнее по причине более высоких летных характеристик истребителя-моноплана, но велась она фактически в режиме строго секретности. Руководство Республики рассматривало вопрос об изготовлении в Испании не мене тысячи И-16. Летом 1938 г. на заводе SAF-15 в Аликанте начался выпуск истребителей И-16 тип 10. До конца года здесь удалось собрать четыре истребителя, получивших номера с «СН-001» до «СН-004». Первые испанские И-16 имели вооружение только из крыльевых пулеметов, их можно рассматривать как промежуточный вариант между И-16 тип 5 и И-16 тип 10. Четыре И-16 постройки завода в Аликанте стали первыми и последними монопланами данного типа, изготовленными в Испании и принявшими участие в боях на стороне Республики. Следующие десять И-16 вступили в строй уже после падения Республики. После окончания гражданское войны все «моски» испанского производства наряду с трофейными И-16 (всего 22 самолета), поступили на вооружение 26-1 группы, которая базировалась в Майорке. В 1941 г. в летное состояние удалось привести еще 28 И-16. В 1948 г. все истребители И-16 ВВС Испании получили новое обозначение — С.8. На вооружении учебных подразделений ВВС Испании самолеты С.8 оставались до 1953 г.

В «испанский период» своей истории истребители И-16 сыграли важную роль, выступив в роли главного «добытчика» трофеев — новейших самолетов немецкой конструкции, знакомство с которыми представляло большой интерес для советской авиапромышленности. Так, 4 декабря 1937 г. после неудачно проведенного воздушного боя вынужденную посадку совершил истребитель Bf. 109B. Самолет попал в руки республиканцев. Через две недели аналогичная участь постигла бомбардировщик Не-111. Оба немецких самолета вывезли в Советский Союз, где их тщательно изучили и испытали.

В октябре 1936 г. первая партия из 31 истребителя И-16 была разгружена в военно-морской базе Картахена. Самолеты быстро собрали на близлежащем аэродроме Лос-Алькасарез. Из советских летчиков и самолетов сформировали три эскадрильи, которыми командовали А. Тарасов, С. Денисов и К. Колесников. Позже эскадрильи перебазировались в Алькала-де-Хинарес и Кампо XX, последний аэродром более известен как Эль-Сото.

В феврале 1937 г. в Испанию доставили еще 31 истребитель И-16. Пополнение позволило восполнить потери и сформировать четвертую эскадрилью. Теперь эскадрильями командовали Борис Смирнов, Сергей Плигунов, Сергей Денисов и Константин Колесников. 21 мая в Картахене транспорт «Антонио Сатрустигу» разгрузил еще 62 истребителя. Опять были восполнены потери в самолетах и сформирована новая, пятая, эскадрилья под командованием Валентина Ухова. Вскоре Ухов стал командиром вооруженной «москами» 21-й группы. 8 июля в Испанию прибыло судно «Кабо Санто-Томе», имевшее на борту 31 самолет И-16. Опять восполнили потери и сформировали очередную эскадрилью. Командование шестой вооруженной истребителями И-16 эскадрильей принял Александр Иванович Гусев. В это же время несколько УТИ-4 поступило в школу высшего пилотажа в Эль-Кармоли. Месяцем позже, 10 августа, 62 самолета доставил транспорт «Кабо Сан-Августин». Часть из них поступило в Эль-Кармоли, часть оставили в резерве, часть пошло на восполнение потерь.

В апреле 1938 г. Республика получила первые 31 истребитель И-16 тип 10; эти самолеты поступили на вооружение 3-й и 5-й эскадрилий. В июле через Францию удалось доставить еще 93 самолета И-16 тип 10. В республиканских ВВС И-16 тип 10 получил наименование «Супер моска», однако летчики продолжали называть самолеты просто «моска». Истребители поступили на вооружение первых шести эскадрилий, 7-я эскадрилья воевала на И-16 тип 6. «Супер моски» получила также школа в Эль-Кармоли. К этому времени 1-й эскадрильей командовал Жозе Редондо Мартин, 3-й Франциско Таразона Торан, 4-й Антонио Ариас, 6-й Франциско Мероньо и 7-й Жозе Паиг Торрес. 2-й и 5-й эскадрильями командовали советские летчики.

Утром 16 ноября 1936 г. первые И-16 пролетели над крышами Мадрида. Их появление стало сюрпризом как для франкистов, так и для республиканцев. «Моски» атаковали истребители CR-32, которые прикрывали бомбардировщики Ju-52. Юнкерсы бомбили позиции республиканцев в районе больницы Клинико и казарм Монтанья. На следующий день первый И-16 был сбит звеном «Чирри» (прозвище истребителя CR-32), которое вел капитан Ангел Салас Ларразабал.