На первых истребителях И-16 применялись зависающие элероны, которые работали как посадочные щитки. Привод посадочных щитков (появились на И-16 тип 10) — сначала пневматический, затем — механический.
Кресло летчика изготовлено из алюминия, в чашку сиденья укладывался парашют. Первые варианты кресла имели съемную спинку с обшивкой из кожзаменителя. На более поздних моделях устанавливалась бронеспинка толщиной 8 мм и массой 30 кг. Кресло регулировалось по высоте в пределах 110 мм. рычаг регулировки сиденья по высоте расположен с правой стороны кресла.
На первых моделях истребителя И-16 кабина полностью закрывалось сдвижным вперед фонарем. Прицел — ОП-1, линза прицела закрывалась заслонкой для предотвращения забрызгивания моторным маслом и грязью, заслонка поднималась только перед атакой. На И-16 тип 10 вместо сдвижного фонаря установили неподвижный козырек с металлическим переплетом и гнутым остеклением, прицел ОП-1 тогда же заменили прицелом ПАК-1.
Оснащенные двигателями М-22 истребители И-16 имели цилиндрический капот. Капоты самолетов с двигателями М-25, М-62 и М-63 состояли из шести съемных панелей, который крепились к кольцу диаметром 1388 мм.
Начиная с истребителей И-16 тип 10 в центроплане предусматривались ниши для уборки лыж. Летом ниши закрывались специальными панелями. Воздух для охлаждения двигателя подводился через девять отверстии в лобовой части капота, выпускался через восемь отверстий по бокам, эти же восемь отверстий использовались для вывода выхлопных патрубков. Два патрубка выводились в одно отверстие, расположенное сверху на левой стороне капота. Патрубки отгибались в стороны от продольной оси самолета, чтобы уменьшить нагрев обшивки и снизить ее загрязнение копотью.
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».
Один самолет И-16 тип 18 совершил в 1940 г. вынужденную посадку на территории Финляндии. Истребитель вернули в пригодное к полетам состояние, но финны на нем так и не летали. В начале 1941 г. машину передали немцам. В годы Великой Отечественной войны финны захватили пять И-16 и один УТИ-4. УТИ-4 и один И-16 отремонтировали. Одноместный самолет летал до 1943 г., а УТИ-4 сохранился до наших дней в музее финских ВВС.
И-16 тип 4 с двигателем М-22
Основным отличием первой серийной модификации истребителя И-16 являлся цилиндрический капот двигателя типа NACA.
И-16 тип 5 с двигателем М-25А
Серийное производство истребителей И-16 тип 5 продолжалось с середины 1935 г. по февраль 1938 г. От самолетов «тип 4» истребители И-16 тип 5 практически отличались только двигателем. Внешние отличия — несколько измененная форма капота и наличие кока воздушного винта. Позже на колеса самолетов И-16 тип 5 стали устанавливать пневматики размером 700x150, а фиксированный козырек заменил сдвижной фонарь кабины, был уменьшен размах элеронов и введены дополнительные нервюры в силовой набор крыла.
И-16 тип 6 с двигателем М-25А
Данная модификация выпускалась в небольших количествах специально для Испании, в нижней части фюзеляжа монтировался третий пулемет ШКАС. На самом деле, ни один истребитель И-16 тип 6 в Испанию не прибыл.
И-16 тип 10 с двигателем М-25В
Истребители И-16 тип 10 выпускались в течение трех лет и получили очень широкое распространение. Им были присущи следующие характерные отличия:
1. установлен более мощный двигатель М-25В
2. вооружение усилено двумя синхронными пулеметами ШКАС, смонтированными над двигателем
3. сдвижной фонарь кабины летчика заменен фиксированным козырьком
4. прицел ОП-1 заменен на прицел ПАК-1
5. усилена конструкция крыла за счет включения в силовой набор дополнительных нервюр, передняя часть крыла получила дюралюминиевую обшивку, которая закрывает 44,5 % верхней поверхности и 14,5 % нижней поверхности консоли
6. введены посадочные щитки, уменьшен размах элеронов, начиная с самолета заводской номер 102175 установлен механический привод щитков вместо пневматического
7. усилена конструкция фюзеляжа
8. установлен новый маслорадиатор, в нижней части лобовой детали капота двигателя появилось отверстие для подвода воздуха к маслорадиатору.
И-16 тип 14 с двигателем М-22 (УТИ-2)
Двухместный учебно-тренировочный самолет без вооружения.
И-16 тип 15 с двигателем М-25А или М-25В (УТИ-4)
Двухместный учебно-тренировочный самолет без вооружения с двойным управлением. Отсутствуют лючки доступа к вооружению. Визуальный контроль уборки/выпуска шасси возможен только с заднего сиденья.
В ходе серийного производства в конструкцию самолета УТИ-4 постоянно вносились изменения, был установлен двигатель М-25В с новым маслорадиатором, новый механизм уборки/выпуска шасси. Резиновый амортизатор заднего костыля заменен масляно-пневматическим. Некоторые самолеты УТИ-4 комплектовались винтами фиксированного шага АВ-1. Начиная с самолета заводской номер 1521109, устанавливались 25-литровые топливные баки, а с января 1939 г. часть машин получила оборудование для полетов ночью, некоторые самолеты были изготовлены в варианте с неубираемым шасси.
И-16 тип 17 с двигателем М-25В
Самолет И-16 тип 17 представлял собой И-16 тип 10, на котором крыльевые пулеметы ШКАС были заменены пушками ШВАК. Снарядные ленты укладывались вдоль лонжеронов центроплана на уровне шпангоута № 1 фюзеляжа. В местах установке пушек усилена конструкция крыла, съемная панель для доступа к пушке имела размеры 650x774 мм. На истребителях данной модификации, как и на И-16 тип 10, предусматривалось использование убираемого лыжного шасси.
И-16 тип 18 с двигателем М-62
Самолет И-16 тип 18 по сути представлял собой И-16 тип 10 с более мощным двигателем. На самолете усилена конструкция моторамы, введено бронирование топливных баков. Значительно доработана масло система, добавлен дополнительный маслобак емкостью 12 л при одновременном уменьшение объема основного маслобака до 23 л, увеличено проходное сечение воздухозаборника маслорадиатора. Установлен новый карбюратор, выступающий за обводы капота двигателя.
На первой серии истребителей И-16 тип 18 устанавливались винты фиксированного шага ВФШ и кок. аналогичный коку воздушных винтов истребителей И-16 тип 10. Позже самолеты стали комплектоваться винтами изменяемого шага ВИШ и новыми коками, разработанными специально для данных винтов. На самолетах последних серий монтировались воздушные винты АВ-1 и коки от винтов истребителей И-16 тип 24. Электрооборудование самолета запитывалось от 24-вольтовой аккумуляторной батареи 12А-10, установленной в центроплане между третьим и четвертом шпангоутами. Для доступа к аккумулятору на нижней поверхности центральной секции фюзеляжа сделаны лючки.
И-16 тип 27 с двигателем М-62
Истребитель И-16 тип 27 представлял собой И-16 тип 17, переоснащенный двигателем М-62. Внесены изменения в конструкцию моторамы и маслосистемы по типу использованных при разработке И-16 тип 18.
И-16 тип 24 с двигателем М-63
Истребитель И-16 тип 24 являлся вариантом самолета И-16 тип 18, в конструкцию которого внесены изменения в соответствии с новыми Нормами летной годности, принятыми в 1937 г., а также проведен ряд других доработок:
1. винт изменяемого шага ВИШ АВ-1 и новый кок
2. новые опоры шасси с двумя подкосами вместо трех и увеличенным ходом до 96 мм амортизаторов (на первых вариантах И-16 ход амортизатором составлял 30 мм, затем был увеличен до 36 мм).
3. замена хвостового костыля хвостовым колесом с масляно-пневматическим амортизатором.