18 июля франкисты перешли в контрнаступление, воздушные бои в последующие дни не утихали. 19 июля противники потеряли по одному самолету (И-16 и Не-51), 20 и 22 июля было сбито по одному И-16. 24 июля «моски» перехватили выполнявший разведывательное задание бомбардировщик Дорнье Do-17F, поврежденный разведчик с трудом вернулся на базу. В тот же день были сбиты Не-51 ефрейтора Эрнста Фридриха Рюйтера и Фиат CR.32 капрала Энцио Маччани, Рюйтер и Маччани попали в плен. С взятием франкистами 25 июля Брунете сражение завершилось.
22 августа республиканские войска предприняли новое наступление в том же секторе с целью захвата Сарагосы. Действия сухопутных войск активно поддерживали истребители и бомбардировщики. В операции приняло участие три эскадрильи И-16. 1-я эскадрилья была полностью укомплектована советскими летчиками, она базировалась в Эскатроне. 3-й и 4-й эскадрильями командовали Борис Смирнов и Николай Смелков, оба подразделения дислоцировались на аэродроме Каспи. В составе 3-й эскадрильи числились испанцы Эдуарде Клодин, Мануэль Агирре, Антонио Ариас, Жозе-Мария Браво, Жозе Аларко, Жозе Химинес Мараньон, Мариано Паласиос и Луис Сааведра. Первые четверо вскоре стали командирами эскадрилий, в то время как Браво принял командование 21-й группой (21 Grupo de Moscas).
Противостояла республиканским истребителям итальянская группа «Asso de Bastoni», которую перебросили в этот район 24 августа, на следующий день прибыли самолеты Гарсия Морато из «Grupo Azul». Летчики Морато базировались в Алвамьене, итальянцы — в Санджурджо. 25 августа итальянцы провели первый воздушный бой с И-16, схватка получилась безрезультатной для обоих сторон. На следующий день активность авиации усилилась, однако в воздушных боях со стороны республиканцев принимали участие в основном «Чато», поскольку пилоты И-16 не отвлекались от выполнения главной задачи — эскортирования бомбардировщиков. 2 сентября летчики И-16 сбили Не-51 Альфереза Мариано Рюйца де Алды. 6 сентября Бельчите пал.
В последующие недели затишья в воздушной войне так и не наступило, однако «моски» в боях участия не принимали. Два ожесточенных воздушных боя имели место 12 октября над Пуэбло-де-Албортоном и Сарагосой. Республиканцы потеряли четыре И-16: самолеты с бортовыми кодами «СМ-150» и «СМ-156» были сбиты, а машины «СМ 142» и «СМ-146» пришлось списать после вынужденных посадок. В то же время XVI группа «La Cucaracha» лишилась пяти Фиатов. В плен попали 2-е лейтенанты Роберто Босчетто и Франческо Леончини, сержант-майор Уго Корсики, сержанты Джузеппе Риголи и Алесио Нери погибли. Босчетто посадил свой истребители в расположении республиканцев, так что последние захватили и летчика, и самолет. В том же воздушном боя ранения получили капитаны Гвидо Нобили и Эрнесто Ботто, обоим стоило больших трудов вернуться на базу. Командиру 32-й эскадрильи Эрнесто Ботто пришлось ампутировать правую ногу. Заменив плоть протезом Ботто впоследствии командовал VI группой «Gambo di Ferro». 15 октября состоялся исключительно удачный налет истребителей И-15 на аэродром Гарапинильос, ударные самолеты прикрывали «моски». На время воздушные бои в этом секторе фронта прекратились, но 29 ноября был сбит И-16 с бортовым кодом «СМ-110», летчик Пабло Сален Бакуэро потерял руку. После госпиталя Бакуэро стал инструктором в планерной школе республиканцев.
В рамках подготовки наступления на Теруэль авиация республиканцев была стянута на аэродромы провинций Кастеллон и Валенсия. Наступление назначили на 15 декабря. 1-й эскадрильей в это время командовал Эдуарде Клодин, эскадрилья базировалась в Сарионе. 4-й — командовал Мануэль Зарауза, она базировалась в Виллар-дель-Арзобиспо. 2-я, — 3-я и 5-я эскадрильи были полностью укомплектованы советскими летчиками, они базировались соответственно в Сагунто, Реусе, Виллар-дель-Арзобиспо и Сарионе.
Стоявшая в первые дни наступления плохая погода препятствовала действиям авиации с обоих сторон.
Контрнаступление франкистов началось 29 декабря, несколько улучшившиеся погодные условия позволили самолетам подняться в небо. Истребители CR.32 из группы 2-G-3 прикрывали самолеты Не-45 и Не-46. Группы самолетов франкистов атаковали истребители И-15 и И-16. Бой закончился потерей Фиата CR.32 с бортовым номером «3-87», летчик капрал Антонио Лопес Серт погиб. В свою очередь один И-16 сбил Мануэль Васкуэс Сагастибазал. 30 числа «моски» вновь атаковали Фиатов из групп 2-G-3 и 2-ЕЗ, эскортировавших группу бомбардировщиков Ro.37 и Не-45. Два И-16 были сбиты капитаном Хавьером Мюрсией и лейтенантом Аристидисом Гарсией. Еще два республиканских истребителя засчитали в качестве «вероятных» побед капитану Мигуэлю Гуерреро и лейтенанту Симону. 31 декабря началась сильная метель, ударил свирепый мороз — температура упала до -18 град. С. Самолеты оставались на земле.
Несмотря на препоны погоды, авиация франкистов 1 января поднялась в небо, но прежде пришлось удалить лед с крыльев, прогреть двигатели. Возобновившийся снегопад не позволил повторить боевой вылет. Утром 6 января над Теруэлем прошел безрезультатный воздушный бой между И-16 и GR.32. Вечером того же дня «моски» атаковали группу бомбардировщиков Не-111 из К/88, которые шли под прикрытием итальянских CR.32. Опять противники разошлись без потерь. 6 января республиканцы вошли в Теруэль, бои в городе продолжались еще два дня.
В последующие два дня авиация практически не поднималась в воздух, однако 17 января был сбит один И-16, выпрыгнувший с парашютом советский летчик попал в плен. 18 числа в воздушном бою сошлись И-16 и Bf.l09B из 2.J/88, которыми командовал Вольфганг Шеллман. Стаффель совсем недавно прибыл из Германии на аэродром Каламоча. В бою погиб последний защитник Северной зоны Луис де Фрутос. Пилоты И-16 сбили Не-51, его летчик капрал Герхард Клейн погиб.
К этому времени 1-я и 4-я эскадрильи уже базировались в Сарионе. 2-я. 3-я и 5-я — в Вилар-дель-Арзобиспо. Григорий Плещенков, Борис Смирнов и Николай Иванов были отозваны в Советский Союз, им на смену прибыли Девоченко и Петр Сильвестров. 24 января группа И-16 была перехвачена Фиатами. Сбитых не было, но «моски» рассеяли CR.32. 7 февраля группа СБ-2. летевших под прикрытием И-16. была внезапно атакована мессершмиттами из 2.J/88. В ходе завязавшегося воздушного боя Вильгельм Бальтазар добился лучшего результата в одном бою за весь период гражданской войны в Испании, сбив три СБ-2 и один И-16 (бортовой код «СМ-109», летчик Фрациско Чумилас погиб).
22 февраля франкисты отбили Теруэль, после чего активность авиации пошла на убыль. 1-я и 5-я эскадрильи, укомплектованные советскими пилотами, базировалась в Вилар-дель-Арзобиспо. 4-я — на аэродроме Алкала-де-Хенарес.
В апреле 1938 г. прибыли первые истребители И-16 тип 10, бортовые коды этих самолетов начинались с «СМ-158». Самолеты поступили во 2-ю и 5-ю эскадрильи, которыми командовали Т.Г. Вихров и Сусукалов. Эскадрильи передали свои старые истребители для восполнения потерь в 3-ю эскадрилью, которой командовал испанец Хозе-Мария Браво.
Утром 9 марта 1938 г. перед атакой пехоты удар по позициям республиканцев в секторе Альфамьра-Бельчите нанесла авиация. На отражение налета поднялись «моски» из всех пяти эскадрилий. 13 марта республиканцы потеряли И-16 «СМ0121» в бою над Алкниьизом, истребитель с бортовым кодом «СМ-162» был уничтожен в результате налета авиации франкистов на аэродроме в Лериде. На следующий день произошло несколько воздушных боев. Потерь не понесли обе стороны, лишь Фрациско Таразона повредил на посадке подбитый в бою И-16. До 3 апреля авиация противников держала паузу в воздушной войне. 3 апреля И-16 провели воздушный бой с мессершмиттами. Bf.109 с бортовым номером «6-20» был подбит, а летчик Фритц Эви — ранен. Пилот дотянул до аэродрома в Сарагосе, однако сесть не сумел. Самолет разбился, летчик погиб.
8 апреля, отражая атаку Фиатов на группу И-15, «моски» подбили CR.32 с бортовым номером «3061». Летчик Ангел Салас совершил вынужденную посадку в 2 км севернее Мореллы. Через два Франциско Таразона оставил свой И-16 «СМ-157» в Прат-де-Ллобрегат для ремонта. Здесь он взял отремонтированную «моску» с бортовым номером «СМ-120», однако на посадке в Валльсе в условиях сильного бокового ветра самолет перевернулся, в результате оказалась сломанной опора шасси и помята законцовка плоскости крыла. 12 апреля внезапному налету бомбардировщиков SM.79 подвергся аэродром базирования 3-й эскадрильи И-16. Два истребителя были уничтожены, три — повреждены. На следующий день звено И-16 в составе командира Хозеария Браво и ведомых Антонио Морилла и Антонио Калво неожиданно атаковали группу CR.32. Один Фиат получил повреждения, самолет ушел в сторону линии фронта, волоча за собой шлейф дыма. Падения истребителя противника летчики республиканцев не наблюдали. 14 апреля И-16 прикрывали группу СБ-2 в районе Сан-Матео — Ла-Хана. Самолеты республиканцев атаковали Фиаты, которые сбили три И-16. На следующий день с падением Винароца и Беникарло войска франкистов вышли к побережью Средиземного моря. Территория, контролируемая республиканцами, оказалась рассеченной на две части.
20-го апреля 3-ю эскадрилью перебросили в Сегунто. Действуя с нового аэродрома «моски» провели воздушный бой с мессершмиттами, один И-16 был сбит. 23 апреля летчики эскадрильи прикрывали самолеты Вулти V-1 из 1-й эскадрильи 72-й группы в налете на суда франкистов в акватории порта Винароз. Тот боевой вылет по разному вспоминают даже пилоты принимавшей в нем участие 3-й эскадрильи. Франциско Таразона Торан высоко оценил тот полет, в ходе которого его летчики сбили два самолета противника, но от огня с земли получили повреждения три И-16 («СМ-140» Утриллы, «СМ-141» Фиерро и «СМ-141» Паридиса). Истребитель «СМ-141» получил прямое попадание 20-мм снаряда в козырек кабины летчика. Подчиненный Торана Луис Сирвент Серилльо считал налет неудачным и обозвал Вулти «старыми воронами».
Двумя или тремя днями позже звено в составе Таразоны, Фиерро и Виценте Юсте перехватили группу бомбардировщиков Не-111, возвращавшихся на базу после налета на порт Грео-де-Валенсия. Даже без прикрытия истребителей Хейнкели представляли для нападавших крепкий орешек. Тем не менее, стрелки бомбардировщиков не остановили Таразону со товарищи. Таразона сбил один бомбардировщик, Фиеро и Юсте вдвоем одолели еще один. В последующие дни плохая погода не позволила «москам» подниматься в небо. Летчики получили отдых, а механики получили возможность спокойно заняться ремонтом истребителей.
Воздушный бои возобновились 7 мая. Самолеты 1-й эскадрильи прикрывали группу И-15, когда встретили в воздухе Не-51. Летчики И-16 сбили один Хейнкель. Утром 11 мая пилоты 1-й и 3-й эскадрилий опять сопровождали И-15, штурмовавшие колонны франкистов на шоссе Кастеллон. Над Налисом республиканцы встретили группу Не-111, которую прикрывали мессершмитты. В завязавшемся бою Таразона сбил один Bf.109В. Его ведомому Юсте пришлось выйти из боя — двигатель стал работать с перебоями. После посадки на истребителе Виценте Юсте насчитали более сорока пробоин. Через два дня в схватке И-16 и CR.32 ранение в ногу получил франкистский ас Хоакин Гарсия Мора-то. Из-за ранения Морато оставался на земле до 22 мая. В тот же день повреждения получили и три И-16 (бортовые коды «СМ-167», «СМ-169» и «СМ-165»), эти самолеты не смогли принять участия в ожесточенных воздушных боях следующего дня. Согласно данным республиканцев 8 мая было сбито 17 истребителей Фиат CR.32 и пять бомбардировщиков SM.79. В то же время франкисты не сообщали о потерях бомбардировщиков и признали потерю всего трех истребителей CR.32. Капрал Марио Босчелли из 19-й эскадрильи группы «Asso de Bastoni» погиб, 2-й лейтенант Альфонсо Караччиоло и лейтенант Перикл Баруффи, оба из 25-й эскадрильи XVI группы «La Cucaracha». были сбиты над Балагуэром и попали в плен к республиканцам. 2-я эскадрилья потеряла два И-16, 5-я — один.
10 июня в бою над Адзанетой сошлись мессершмитты и «моски» из 3-й эскадрильи. Были сбиты два И-16, летчики Утрилла Хернандес и Антонио Диас Перец погибли. 13 июня немецкие летчики из 1.J/88 сбили три И-16 без потерь со своей стороны. Однако, на следующий день вынужденную посадку на пляж в устье реки Миярес из-за полученных в воздушном бою повреждений совершил Bf. 109B обер-лейтенанта Гельмута Гейнца. Гейнц попал в плен. Вскоре группа летчиков и механиков прибыла осмотреть мессершмитт, однако почти все республиканцы были убиты в результате штурмового удара звена Bf. 109B. Известно, что вместе самолетом Гейнца повреждения получил мессершмитт Эккердта Прибе, был ранен и сам пилот.
19 июля группа И-16 атаковала бомбардировщики Ju-52 и самолеты эскорта CR.32. Республиканцы потеряли два самолета, в то же время тяжело поврежденные Фиаты Хулио Сальвадора и Хоакина Ансальдо с трудом дотянули до своего аэродрома. 23 июля был сбит сержант Хозе Рюйц Гомес, летчик выпрыгнул с парашютом, однако его расстреляли пулеметным огнем с земли. В тот же день в авиакатастрофе над аэродромом Касинос погиб советский летчик Романов.
В июле 5-я эскадрилья потеряла своего первого командира-испанца. «Моска» Эдуарде Клодина Монкада получила прямое попадание зенитного снаряда над Пуэбла-де-Вальверде. Новым командиром стал Мануэль Зарауза Клавер, 4-ю эскадрилью принял Антонио Ариас. 10 июля на аэродроме Лос-Исидрос недалеко от Вилла-де-Рикуны загорелся на посадке получивший повреждения в бою с Фиатами истребитель И-16 сержанта Жозе Салинаса. Салинас получил сильнейшие ожоги, однако остался жив. Несколько месяцев летчик провел по госпиталям. Тремя днями позже на посадке скапотировал истребитель Антонио Герреро, летчик погиб.
14 июня «Моски» сошлись в ожесточенном бою с мессершмиттами, однако теперь противниками И-16 выступали не хорошо знакомые Bf. 109B, а машины модификаций «С» и «D», вооруженные четырьмя пулеметами калибра 7,92 мм. Командир 1 — и эскадрильи Редондо Мартин столкнулся в лобовой атаке с мессершмиттом, и испанский, и немецкий успели воспользоваться парашютами. 15-го числа группа И-16 атаковала над Вальделинаресом бомбардировщики SM.79 из 285-й эскадрильи III группы. Две Савойи было сбито, экипажу лейтенанта Ауорелио Поцци удалось спастись на парашютах. А все члены экипажа капрала Джулио Джиовани погибли, включая командира. В тот же день угнал истребитель И-16 к франкистам сержант Ареста Агуирри. Националисты заполучили не только исправный истребитель, но и пилота знакомого с его сильными и слабыми сторонами. После окончания гражданской войны Агуирре испытывал все самолеты И-16. выпущенные заводом Talleres Experimentales del Aire at Jerez de la Frontera.
18 июля исполнилась вторая годовщина с начала гражданской войны в Испании. В этот день ожесточенный воздушный бой произошел над Сари-оном. В нем приняло участие 16 истребителей И-16. эскортировавших группу И-15, и Фиаты из 18-й эскадрильи итальянской группы «Asso di Bastoni». Летчики «мосок» сбили командира итальянской группы капитана Антонио Фиерро, Фиерро выпрыгнул с парашютом. В свою очередь, сажая поврежденный в бою И-16 на аэродром Кампороблес погиб Ангел Бельмонте Регуллион. На следующий день в бою с Фиатами нашел свою смерть Эдуардо Гонзалез Касола. В бою 22 июня был сбит И-16 и Фиаты 2-го лейтенанта Дино Олиоси (летчик погиб), лейтенанта Джованни Гуидаччи. 2-го лейтенанта Франко Лучини (попал в плен). Все трое итальянских пилотов служили в 19-й эскадрильи группы «Asso di Bastoni».
Южный фронт оставался стабильным чуть больше года, пока 20 июля 1938 г. сторонник Франко генерал Гонзало Куерпо де Ллано не предпринял серию атак в секторе Бласкуиц. За первые дни боев не было отмечено ни одного воздушного боя, но затем противодействие авиации франкистов стали оказывать летчики «Чато». Тем не менее, превосходство в воздухе сохранялось за авиацией республиканцев. Чтобы исправить положение в данный район была переброшена 1-я эскадрилья «Моска», которой командовал Жозе Редондо. Первый бой в этом районе летчики И-16 приняли 26 августа, тогда эскадрилья потеряла две «моски», сбитых летчиками группы 2-G-3 Игнасио Альфаро и Андресом Роблесом. В очередном бою 31 августа Игнасио Альфаро. Хорхе Мунтадас и Мануэль Васкуэс Сагастизабал сбили по одному И-16.
Окончательно попытки республиканцев завоевать господство в воздухе рухнули 2 сентября, когда франкисты без потерь со своей стороны сбили три СБ-2 и пять И-16. Все три бомбардировщика сбил в одной атаке сзади снизу Ангел Салас Ларразабал. На вираже Ангел Салас Ларразабал сбил еще и И-16 командира 1-й эскадрильи Хозе Редондо. По одному И-16 сбили Мануэль Васкуэс, Луис Алькокер. Карлос Байо и Эстебан Ибарече. Основной накал воздушной войны сместился к реке Эбро.
Четыре дивизии республиканцев форсировав Эбро 25 июля 1938 г. перешли в решительное наступление. Продвижение республиканцев удалось остановить в районе Лос-Атлос-де-лос-Аутс и Ампосты.
С целью завоевать превосходство в воздухе на аэродром Ведерелл перебросили 1-ю эскадрилью Рамона Химинеса, а в Пла-де-Кабра — 2-ю эскадрилью Хулио Перейры и 3-ю эскадрилью Хозе-Мария Браво. В Вендерелле также появились истребители И-16 5-й «советской» эскадрильи и 6-й эскадрильи Франциско Мероньо. Уже после начала сражения стала формироваться 7-я эскадрилья, командиром которой получил назначение Жозе Паиг.
К началу августа в этом районе усилилась также и истребительная авиация франкистов. 1 августа в воздушном бою И-16 сбил Фиат CR.32 с бортовым номером «3-100» из группы 3-G-3, летчик Энрике Мунаиз де Бреа погиб. Республиканцы также потеряли один истребитель: Висенте Бельтран из 3-й эскадрильи сорвался в плоский штопор, облетывая И-16 после ремонта. Бельтран удачно воспользовался парашютом. В течение всего следующего дня в воздухе вспыхивали спорадические воздушные бои, однако крупных схваток не отмечалось. 13 августа сошлись группа новейших четырехточечных И-16 тип 10 и мессершмитты Bf.109D из легиона «Кондор». Немецкие пилоты заявили о семи сбитых «москах». однако достоверно республиканцы потеряли всего один И-16, его пилот Луис Сирвент выпрыгнул с парашютом. 14 августа ожесточенный воздушный бой произошел над Гандесой. «Моски» из 1-й, 3-й и 4-й эскадрилий атаковали Фиаты CR.32 из группы 3-G-3, которые сопровождали эскадрилью бомбардировщиков Не-111Е. В завязавшейся схватке были сбиты И-16 летчиков Мануэля Фернандеса и Эдуардо Фернандеса Прадо, оба пилота погибли. Франкисты также потеряли два Фиата: бортовой номер «3-75», летчик аспирант Хозе Мессия Лессеп погиб и бортовой номер «3-127», летчик капрал Карлос Байо попал в плен. Тяжелораненый аспирант Алонсо Фаринья с трудом привел свой CR.32 с бортовым номером «3-139» в Пуиг-Морено. Через два вновь состоялся воздушный бой И-16 из 3-й и 4-й эскадрилий с Фиатами, одну подтвержденную победу одержал Таразона.
21 августа пилоты И-16 столкнулись с Фиатами, которые пилотировали итальянцы. В результате над Виллалба-де-Лос-Акрос погиб сержант Альжо Бракко из 19-й эскадрильи «Асов ди Бастони». Попал в плен капрал Карло Бонифачи из 26-й эскадрильи группы «La Cucaracha». Наконец, 2-й лейтенант Пио Томазелли с трудом посадил тяжелоповрежденный самолет в расположении франкистов. При вынужденной посадке его истребитель развалился, на части.
На следующий день летчики республиканцев получили довольно неожиданный для себя приказ: уклоняясь от боев с истребителями противника, приложить максимум усилий для атак бомбардировщиков. Тем не менее, воздушные бои истребителей продолжались. В день получения приказа был сбит И-16 Хозе Гаскона Юста, а «моска» Хуана Батисты Бадии Зориллы совершила посадку на территории противника, летчик попал в плен. В то же время Франсиско Таразона сбил Фиат CR.32 с бортовым номером «3-97» (летчик Фернандо Арричия Бельзунчи), а Хозе-Мария Браво отправили на землю CR.32 с бортовым номером «3-135» (летчик Хоакин Чапаприета).
Неделя относительного затишья завершилась 4сентября, когда «моски» серьезно повредили один из Фиатов CR.32 сержанта Франческе Паничи из XXIII группы «Asso de Bastoni». Паничи совершил вынужденную посадку в Мекуинензе и попал в плен. Следующий день для летчиков 3-й эскадрильи выдался неудачным. «Моски» выполнили три боевых вылетов, не сбили ни одного самолета противника, зато два И-16 было разбито при посадках. Несколько успешнее действовали пилоты 5-й эскадрильи, сумевшие, не взирая на противодействие Фиатов, сбить один бомбардировщик Не-111Е. Двумя днями позже «моски» сбили Bf. 109D. летчик мессершмитта лейтенант Мартин Лютц погиб.
9 сентября на встречных курсах столкнулась группа И-16, сопровождавших И-15 и СБ. и эскадрилья мессершмиттов, эскортировавших фоторазведчик Do-17F. Атакой снизу «моски» сбили один истребитель противника. В бою принимал участие самый старый на тот момент И-16 республиканских ВВС: на самолете с бортовым кодом «СМ-010» летал Хозе Луис Лопес де Санта-Мария из 4-й эскадрильи. Помимо мессершмитта в бою был сбит и И-16 с бортовым кодом «СМ-242», Хозе Гарсия Саез погиб. В течение нескольких последующих дней «моски» сопровождали группы И-15 и СБ-2. не встречая противника в воздухе.
19 сентября Лопес де Санта-Мария сменил свой раритетный «СМ-010» на более новый И-16 с бортовым кодом «СМ-175». Полетать ему но новой машине удалось всего сутки — уже на следующий день в полете над аэродромом Вендрелл у истребителя отказал двигатель. Летчик отделался серьезными ранениями. В тот же день сел на вынужденную после полной выработки топлива Рамон Гандия Муньос, его И-16 пришлось списать.
Первые И-16, оснащенные «родными» двигателями Райт «Циклон» R-1820-F54 и кислородными масками 4-я эскадрилья получила 21 сентября. Считалось, что эти самолеты смогут составить достойную конкуренцию мессершмиттам на больших высотах. 22-го числа «моски» совершили несколько боевых вылетов. В первом вылете И-16 из 2-й и 3-й эскадрилий над Ганедеса-Корберой вступили в бой с бомбардировщиками Не-111E, которые сопровождали истребители Фиат CR.32. По непроверенным данным был сбит один Фиат. На посадке выкатился за пределы полосы и встал на нос истребитель Луиса Сервента. Во втором вылете истребители 3-й, 4-, 6-й и 7-й эскадрилий сопровождали бомбардировщики СБ-2. Над Вента-де-Кампосинес «моски» вступили в бой с Фиатами и мессершмиттами. В ходе боя И-16 Луиса Мпаргалифа из 3-й эскадрильи столкнулся с горой, а франкисты потеряли CR.32 с бортовым номером «3-122» из группы 5-Е-З, летчик Педро Мартино де Ируйо погиб. До 1 октября авиация из-за плохой погоды практически не летала. 1 октября в коротком бою получил повреждения CR.32 сержанта Идо Гона из группы «Asso de Bastoni». Гона посадил свой Фиат в расположении республиканцев и попал в плен. На следующий день 3-я и 4-я эскадрильи сменили место базирования, перелетев на аэродром Балле. В тот же день с Валлса «моски» летали на сопровождение И-15 в сектор Карбера. В воздухе группу самолетов республиканцев перехватили Фиаты. Был сбит И-16 Луиса Сирвента, сам Сирвент получил ранения. Алваро Питарч Эскориэла с трудом привел поврежденный И-16 в Риус, самолет был полностью разбит на посадке. Победы в том воздушном бою одержали Аристид Гарсия и бельгийский доброволец Родольф Хенрикурт. По иронии судьбы последний нашел свою смерть, воюя в составе RAF со своими бывшими камрадами по легиону «Кондор». Франкисты потеряли в бою Фиат с бортовым номером «3-140», летчик Антонио Оливера Фернандес погиб. На следующий день был сбит И-16 Хозе Гутиерреса Чикланы из 7-й эскадрильи, летчик выпрыгнул с парашютом и остался в живых.
Ожесточенные воздушные бои разгорелись на следующий день, когда Франциско Мероньо из 6-й эскадрильи сбил самолет Хулио Сальвадора. Сальвадор выпрыгнул с парашютом, но приземлился прямо в руки республиканцев. В том же бою заклинил из-за прямого попадания двигатель на истребителе Гарсия Морато. Морато спланировал в расположение франкистов. Морато был уверен, что его самолет поразил кто-то из пилотов И-16, однако из мотора вытащили пулю калибра 12,7 мм — он едва не стал жертвой кого-то из своих коллег, летавших на CR.32.
4 октября лейтенант Сабино Кортиза сбил Bf. 109 (бортовой номер «6-67») Отто Бертрама, за товарища отплатил Вернер Мёльдерс, сбивший над Аско «моску» сержанта Хозе Тебара Виллара. В последующие несколько дней воздушных боев не отмечалось, однако республиканцы один И-16 потеряли: Никомидес Кальво Агуляр столкнулся на посадке с…ослом! 13 октября летчики 4-й эскадрильи летали на сопровождение бомбардировщиков СБ-2 в налете на Гандесу. На маршруте самолеты республиканцев атаковал мессершмитты. сбившие одну «моску». В последующие несколько дней пилоты 4-й эскадрильи записали на свой счет четыре CR.32, ни одна из этих побед не подтверждается данными франкистов. Затем плохая погода приковала авиацию к земле на 12 дней.
Большая группа самолетов сформировала боевой порядок над Барселоной 28 октября. Авиации предстояло поддержать действия интербригад. В налете принимали участие и истребители И-16. 30-го октября «моски» из 3-й, 4-й и 6-й эскадрилий взлетели на перехват группы бомбардировщиков, которые сопровождали истребители Фиат. Согласно данным республиканцев в воздушном бою было сбито три CR.32, однако подтверждается лишь потеря одного Фиата Клаудио Соларо из XVI группы «La Cucaracha». Соларо выпрыгнул с парашютом и попал в плен. В тот же день повреждения получил И-16 Таразоны, летчик виртуозно посадил самолет с остановившимся двигателем на аэродром, истребитель при посадке не пострадал.
31 октября в воздух поднялись И-16 из всех эскадрилий. Самолеты сопровождали ударные И-15, которые пулеметным огнем штурмовали войска противника, атаковавшие позиции республиканцев в районе Сиерра-де-Кабаллс. Над Сиерра-де-Кабаллс разгорелся ожесточенный воздушный бой — И-16 отвлеклись от выполнения основной задачи и набросились на бомбардировщики Не-111E и SM.79. которые также подтянулись в этот район. Самолеты франкистов сопровождали истребители Фиат CR.32. Пилоты И-16 уничтожили один Не-111E ценой потери одной «моски» (франкисты заявили о четырех сбитых И-16) — был сбит И-16 лейтенанта Франсиско Паредеса Мартинеса. Мартинес был ранен, получил ожоги, но, тем не менее, сумел покинуть горящий истребитель и благополучно приземлился на парашюте.
3 ноября летчики 30-й эскадрильи внезапной атакой сбили мессершмитт, который упал прямо в акваторию порта Лос-Альфагуэс. Вечером «моски» перехватили разведчик Do-17F, сбить не смогли, но дырок понаделали. На следующий день летчикам опять напомнили о необходимости бить бомбардировщики, а не драться с истребителями противника. Впрочем, у пилотов И-16 чаще всего просто не имелось выбора — истребители противника навязывали бой сами. Прикрывая И-15. «моски» подловили Bf.109 над Лас-Розас. Со своей стороны республиканцы потеряли И-16 лейтенанта Сабино Кортизо. Кортизо добрался до земли на парашюте. На следующий день бомбардировщики Не-1 IE нанесла неожиданный удар по аэродромам базирования И-16 — Реусу, Валлсу и Вендреллу. В результате налета был уничтожен И-16 с бортовым номером «СМ-177» из 4-й эскадрильи, несколько И-16 получили повреждения.
8 ноября самолеты 3-й и 4-й эскадрилий снова летали на сопровождение И-15, и снова дрались с Фиатами и мессершмиттами. Был сбит один И-16 из 7-й эскадрильи. Вечером бомбардировщики Не-1 НЕ повторили налет на аэродромы базирования истребителей И-16. Две «моски» потеряла на земле 3-я эскадрилья. 12 ноября республиканцы начали отвод своих войск с правого берега реки Эбро. Налеты бомбардировщиков франкистов на переправу через Эбро отражали истребители 3-й и 4-й эскадрилий. Летчики 4-й эскадрилий сбили Фиат, однако и Амалио У кар Артече разбил И-16 при вынужденной посадке. 18 ноября в учебном бою с Ангелом Санзом не справился с управлением «моски» Доминго Аррес Серрано — самолет вертикально воткнулся в землю вместе с пилотом.
Неделей позже, 24 числа, в воздушном бою с Фиатами погиб сержант Феликс Монге Хортикуэла. В том же бою был сбит CR.32 капрала Джованни Аккорди из группы «La Cucaracha», итальянец сел на вынужденную на своей территории. 30 ноября, в один из последних дней сражения при Эбро, «моски» сбили над Валлсом CR.32 Уго Биссаньера из группы «La Cucaracha», Биссаньер выпрыгнул с парашютом и попал в плен.
Несколько дней затишья франкисты использовали для перегруппировки своих войск. Наступление в Каталонии возобновилось 17 декабря, удар наносился в направлении Барселоны.
21 декабря с аэродрома Балле взлетели по тревоге «моски». В воздухе находилась группа бомбардировщиков Не-111Е из К/88. Хейнкели прикрывало большое количество мессершмиттов из 3J/88. Бомбардировщики без помех освободились от своего груза, а мессершмитты сбили И-16 с бортовым кодом «СМ-251» и тяжело повредили «моску» с бортовым номером «С М-170». Кроме того, буквально изрешеченным оказался И-16 с бортовым номером «СМ-165», летчик сержант Альфредо Фернандес-Виллалон был ранен в ногу и сломал несколько ребер. На следующий день в короткой схватке «моски» сбили CR.32 с бортовым номером «3-103»Рафаэля Мендизабеля Амезаги из 4-Е-З. летчик погиб. 24 декабря летчики И-16 сбили над Кастельдансом очередной Фиат, на сей раз их жертвой стал сержант Джузеппе Марин из 25-й эскадрильи группы «La Cucaracha», пилот погиб. 26 декабря пришел черед командира «Кукарачи» подполковника Дуччио Тессари, который не смог дотянуть поврежденный в бою Фиат до линии фронта. 28 декабря звено И-16 из 3-й эскадрильи в составе Франсиско Тарразоны, Хозе Бальсы и Мануэля Монтиллы атаковало над Кастельданой группу бомбардировщиков SM.79 и истребителей CR.32. Был сбит один Фиат, летчик сержант Альдо Гасперини погиб. Двумя днями позже самолеты 3-й эскадрильи сопровождали И-15 и, как обычно, вступили в бой с Фиатами и мессершмиттами. Анхел Санц закрутил сумасшедшую карусель с Фиатом, который пилотировал сержант Уго Заннер из 24-й эскадрильи группы «La Cucaracha». Республиканец оказался более удачлив — самолет Заннера упал недалеко от Фраги, летчик погиб.
4 января 1939 г. 4-я эскадрилья атаковала группу бомбардировщиков Не-11 IE. Хейнкель был сбит, но свою смерть нашел и пилот И-16 сержант Джиллермо Фернандес Альдапе. На следующий день «моски» 4-й эскадрильи дрались с Bf. 109D. Повреждения получил И-16 сержанта Франсиско Белингуэра Лладера, однако летчик дотянул машину до аэродрома Вендрелл.
4-я эскадрилья перебазировалась в Реус с задачей прикрывать высадку в Барселоне подкреплений, прибывающих в Центральную зону. На следующей день особой активности авиации не отмечалось, но И-16 с бортовым номером «СМ-222» Сабино Кортизо из 4-й эскадрильи был сбит мессершмиттами над морем недалеко от Барселоны. Ближе к вечеру пара Лопес де Санта-Мария и Лучано Табернеро Герреро атаковали группу Не-111Е и Bf. 109D. Испанцы сбили один мессершмитт. 25 января в воздух с аэродрома Ла-Гаррига поднялись последние пригодные к полетам И-16. Истребителям предстояло сопровождать И-15, конечно же они были перехвачены самолетами противника — Фиатами из «La Cucaracha». Республиканцы сбили два CR.32 — сержанта Луиджи Катены и капрала Марино Маси. Истребитель Маси стал последним CR.32, сбитым в воздушном бою гражданской войны в Испании.
Франкисты вошли в Барселону 26 января, не встретив сопротивления. Продвижение больше напоминало военный парад — республиканцы были полностью деморализованы. В тот же день столкнулся с деревом на взлете с аэродрома Ла-Гаррига сержант Лопес де Санта-Мария, летчик получил серьезные ранения, а И-16 с бортовым кодом «СМ-255» был полностью разбит. Некоторые пилоты, чьи семьи находились в восточной части Испании, 1 февраля улетели с аэродрома Ла-Гаррига. На маршруте их перехватили истребители франкистов, сбив двух -16 в районе Паламос, другие сумели добраться до Каталонии.
В последующие дни в войсках республиканцев начался коллапс. Армия распалась на мелкие отряды, прокладывающие себе путь к французской границе. Воздушные бои фактически прекратились. Уцелевшие самолеты республиканцев концентрировались на аэродромах Фигуэрас и Виллаюга. Аэродромы подвергались ударам франкистской авиации. В конченом итоге во Францию удалось перелететь всего двум И-16, остальные были уничтожены на земле в результате налетов или приведены в неисправное состояние летчиками и техниками. Некоторое количество исправных истребителей И-16 франкисты смогли захватить на других аэродромах.
В конце 1938 г. используя богатый опыт ремонта и восстановления «мосок», на заводе SAF-15 началось серийное производство И-16 тип 10. Известно, что до конца года завод выпустил несколько самолетов, получивших бортовые коды, начинавшиеся на «СН». Фотографий этих истребителей не сохранилось, не известно как они были окрашены. Франкисты обнаружили на заводе в Ла-Рабаса значительное количество истребителей И-16 на разных стадиях изготовления, кроме того, на заводе хранились большие запасы двигателей и запасных частей. Новым хозяевам удалось собрать 30 истребителей, еще 22 И-16 в исправном состоянии было захвачено в качестве трофеев. Таким образом, на вооружение Ejercito del Aire поступило 52 истребителя И-16, последние два из них списали только в 1953 г.
Первые прибывшие в Испанию истребители И-16 не имели маркировки, в каждой эскадрильи наносили бортовые номера на свой лад. Номера черного или белого цвета писали на руле направления, иногда рулевые поверхности окрашивались в цвета государственного флага Республики. В мае 1937 г. была установлена единая система идентификации истребителей, в соответствии с которой кодировка самолетов И-16 начиналась с литер «СМ». Насколько известно, кодировка начиналась с «СМ-001» и заканчивалась «СМ-272». Чаще всего буквы и цифры идентификационного кода писались черным цветом на фоне красной полосы, накрашенной вокруг фюзеляжа. Известны случаи смешанного написания черных и белых литер, обычно буквы черного и цифры коды белого цвета имели самолеты командиров эскадрилий. Полностью белой краской был написан бортовой код «СМ-193» на истребителе Хозе Марии Браво. Самолеты производства SAF-15 несли идентификационные коды, начинавшиеся с «СН».
Истребители окрашивались по стандартной схеме ВВС РККА: борта фюзеляжа, киль, верхние поверхности крыла и стабилизатора — зеленые, низ — светло-голубой. «Моски» испанского производства получили камуфляжную окраску из неправильных зеленых пятен по основному тону цвета охры, нижние поверхности — светло-голубые. Общий рисунок камуфляжа напоминал камуфляжную окраску бомбардировщиков СБ-2. Все самолеты если красную полосу вокруг фюзеляжа и полосы цвета республиканского триколора на руле направления. Известны случаи нанесения красных полос вокруг плоскостей крыла на самолетах И-16 тип 5, на истребителях И-16 тип 10 красным цветом окрашивались законцовки крыла. Капоты двигателей отдельных самолетов окрашивались в матовый черный цвет.