В марте 1934 г. в НИИ ВВС РККА прошли государственные испытания И-16 с девятицилиндровым мотором М-25 (так в СССР назвали американский двигатель Wright Cyclone R-1820-F-3) мощностью 480 л.с. Полеты выполняли летчики-испытатели Владимир Коккинаки и Валерий Чкалов. Самолет развил максимальную скорость 359 км/ч и достиг потолка в 7180 м. По скоростным качествам истребителя Госкомиссия сделала следующие выводы: «Благодаря хорошим аэродинамическим формам и убирающимся шасси И-16 уступает по скорости на высоте 5000 м немногим серийным истребителям, состоящим на вооружении иностранных воздушных флотов, превосходя их по скорости до высоты 2000 м и уступая в потолке и скороподъемности».

Однако испытания выявили и слабые места нового самолета: очевидную ненадежность шасси, протекание бензобаков, недостаточную прочность различных кронштейнов, деформацию крепления прицела. Летчики отметили, что им плохо видны приборы, а в кабину задувает воздух. На больших скоростях у самолета начинали вибрировать крылья, а при посадке происходил завал на правое крыло. Крепление ШКАСов при стрельбе сильно расшатывалось, и в результате получался огромный разброс пуль.

В сентябре того же года И-16 снова прошел госиспытания, но теперь уже с мотором М-25. На этот раз он развил максимальную скорость у земли в 395 км/ч. И впоследствии эта модификация, получившая обозначение Тип 5, стала самой массовой.

С 28 августа по 3 ноября 1935 г. летчики 107-й истребительной авиаэскадрильи (ИАЭ) майора Курдюмова проводили войсковые испытания нового самолета по трем основным тактическим задачам: одиночный и звеньевой бой, атака аэростатов заграждения и стрельба по наземным целям. Именно тогда И-16 впервые был опробован в роли штурмовика. При этом на испытаниях присутствовал лично главный конструктор Поликарпов.

За 39 летных дней каждый пилот налетал по 50 часов. Максимальная продолжительность полета составила 2 часа 10 минут при скорости 260 км/ч. Машина показала хорошее пикирование при любых углах и хорошо выполняла фигуры высшего пилотажа: петли, перевороты и боевой разворот.

Однако в ходе учебных воздушных боев с И-7 выяснилось, что управление слишком чувствительное. Даже при небольшом давлении на ручку управления «дергалась вся машина». Именно в силу неустойчивого полета и характерной сплющенной формы И-16 в дальнейшем получил свое знаменитое прозвище «Rat», то есть «крыса». Испытания выявили и многочисленные дефекты нервюр и слабость конструкции шасси. Во время полета фонарь кабины забрызгивало маслом, а внутри ее накапливались выхлопные газы. Да и пулемет ШКАС оказался очень сложен в эксплуатации, в воздухе он нередко отказывал, а на земле бывали случаи самоспуска.

В течение 1936 г. произошло несколько аварий самолетов во время выполнения пикирования, что было необходимым условием для штурмовки. Так, 13 февраля летчик-испытатель П. Павлушев взлетел с аэродрома завода № 21 на И-16 с серийным № 52161. Выполнив подъем на высоту 8000 метров, он перешел в пологое пикирование, но затем на высоте 1500–1700 метров самолет потерял управление. Он врезался в землю в трех километрах от аэродрома, и пилот погиб. Вероятной причиной катастрофы было объявлено возгорание бензина и задымление кабины, из-за которого Павлушев потерял сознание.

2 июня летчик Соколов из 34-й ИАЭ совершал полет на И-16 № 52135. Во время выполнения пикирования с высоты 5000 метров он увидел, что у него под сиденьем горит бензин! Пилот мгновенно сориентировался в ситуации, сразу же расстегнул привязные ремни, после чего его выбросило из кабины. Горящий же самолет продолжал пикировать и врезался в землю. Комиссия определила причиной аварии сдвиг бензобака и нарушение его герметизации. Все это являлось следствием крайне низкого уровня качества продукции всех авиазаводов и их поставщиков.

В 1936–1937 гг. состояние советских авиазаводов было весьма напряженным. Так, в приказе по Наркомату авиапромышленности (НКАП) от 23 июня 1937 г. отмечалось, что на большинстве предприятий наблюдаются воровство, растраты государственных средств, завышение выработки на одного рабочего и искусственное занижение брака. На многих заводах ради формального выполнения плана, а надо учитывать, что за его невыполнение директорам грозило обвинение в саботаже со всеми вытекающими последствиями, занимались приписками. Стало системой, когда в отчеты о выпуске вписывали часть изделий из программы следующего года и т. п.

Одной из причин массового брака была неточность обработки деталей. В тот период в авиапромышленности, несмотря на кажущееся развитие механизации и постоянное внедрение новых образцов оборудования, по-прежнему многие трудоемкие операции выполнялись вручную. С одной стороны, ручная обработка отнимала много времени и квалифицированной рабочей силы, а с другой – не обеспечивала должного качества и взаимозаменяемости деталей. Еще 25 февраля 1936 г. нарком Михаил Каганович в приказе по отрасли предложил заводам полностью заменить ручную резку листового металла на механическую, резку толстолистого металла производить только с помощью автогенных резаков и провести другие работы по механизации.