Первые не русские пилоты начали появляться в 1-й и 3-й эскадрильях «Моска» в мае 1937 года. Это были такие опытные летчики-истребители как испанцы Мануел Агуирр (Manuel Aguirre) и Эдуардо Клаудии (Eduardo Claudin), и американцы Франк Тинкер (Frank Tinker) и Альберт Баумлер (Albert Baumler). В середине мая 3-ю эскадрилью «Моска», перебазировали в Северный сектор, при этом ее самолеты совершили перелет из Альжете (Algete) иод Мадридом в Бильбао (Bilbao). Из вылетевших двенадцати самолетов, только семь сумели выполнить перелет протяженностью почти 300 км, а пять были вынуждены возвратиться назад.

К концу июня, в строю находилось всего около пятидесяти И-16. По крайней мере, тринадцать И-16 тип 5 были потеряны в боях или авариях. В ходе сражения за Брюнет (Brunete) (6-28 июля 1937 года) И-16 впервые столкнулись с новыми немецкими истребителями Messerschmitt Bf 109.

И-16 тип 5 помог республиканцам добиться превосходства в воздухе, по крайней мере, в районе Мадрида. С ноября 1936 года, до лета 1937 года И-16 был самым лучшим истребителем, воевавшим в Испании. Это вынудило руководство Третьего Рейха послать в Испанию Messerschmitt Bf 109, чтобы компенсировать воздушное превосходство «Моска».

Когда в Испанию прибыло достаточное количество более совершенных И-16 тип 6 и И-16 тип 10, большинство сохранившихся И-16 тип 5, были переданы в учебное подразделение – «Школа скоростных истребителей» в Эль-Кармоли (El-Carmoli) под Картахеной (Cartagena).

На данном И-16 красная звезда под правым крылом существенно меньше по размеру, чем звезда под правым крылом. Жалюзи на капоте частично открыты, ими регулировался режим охлаждения двигатели.

Во время Великой Отечественной войны большинство И-16 тип 6 получили двухцветный камуфляж (темно-зеленые и оливковозеленые пятна) на верхних поверхностях планера. Красная звезда на хвосте имеет размер больше, чем обычно, самолет также имеет красную звезду с бело-черной обводкой на коке винта. Обтекатель на гаргроте позади кабины пилота – фотопулемет.

7 июля 1937 года, без объявления войны, японцы вторглись в Китай. В тот период китайские ВВС представляли собой пеструю смесь различных самолетов иностранной постройки и полностью зависели от импортных поставок из отдаленных стран.

21 августа 1937 года, был подписан пакт о ненападении между Советским Союзом, и Китайским центральным правительством, в соответствии с одним из секретных протоколов которого. Советский Союз обязался оказать Китаю военную помощь. Акцент был сделан на перевооружение китайских военно-воздушных сил, которые были фактически уже уничтожены японцами.

В 1937 году, первые И-16 тип 5 прибыли в Китай, а первым китайским подразделением, получившим эти самолеты, стала 4- я истребительная группа. Ранее ее пилоты летали на американских истребителях-бипланах Curtiss Hawk II, поставленных в Китай в марте 1936 года.

Когда 21 ноября 1937 года шесть истребителей И-16 тип 5 во главе с полковником Као, из 4-й истребительной группы, только что прибыли из Анканга (Ankang) и дозаправлялись на аэродроме Чучиако (Chouchiakou) в Хопане (Honan), десять японских бомбардировщиков Mitsubishi G3M2 нанесли удар по аэродрому. Полковник Као был убит, а его истребитель оказался среди самолетов, уничтоженных на земле в результате бомбежки. Одиннадцать японских бомбардировщиков атаковали этот же аэродром и на следующий день, но на сей раз три, И-16 тип 5 патрулировали воздушное пространство, и один из Mitsuonchi G3M2 был сбит.

Двадцать три И-16 тип 5 под командованием капитана Г.М. Прокофьева базировались на аэродроме в Нанкине (Nanking).

22 ноября 1937 года, советские летчики- истребители одержали первую победу. Шесть японских истребителей Туре 96 вступили в бой с шестью И-16 тип 5, в результате один Туре 96 вылетевший из Муйазаки (Miyazaki) был сбит. 24 ноября 1937 года японская авиация совершила налег на Нанкин (Nanking), в нем участвовало девять истребителей Mitsubishi Туре 96, шесть пикирующих бомбардировщиков Aichi Туре 96 и два бомбардировщика Mitsubishi G3M2, согласно японским источникам, три из шести перехвативших их китайских истребителей И-16 тип 5 было сбито.

Поскольку японские силы продвигались к столице Китая, то в декабре 1937 года Нанкин (Nanking) стал ареной упорных воздушных боев. Так 2 декабря 1937 года город атаковало восемь самолетов Yokosuka B4Y1 в сопровождении шести истребителей Mitsubishi Туре 96, из 13-й авиагруппы, которые были перехвачены И-16. Пилоты японских истребителей доложили, что они сбили множество И-16 без потерь со своей стороны.

Китайские истребители И-16 имели камуфляжную окраску стандартных советских цветов: оливково-зеленый на верхних поверхностях и светло-голубой на нижних. Национальные опознавательные знаки, наносились только на верхней поверхности крыла (на нижней поверхности их не было). На руле направления рисовались синие горизонтальные полосы на белом фоне.

Наземный обслуживающий персонал, запускают двигатель этого И-16 тип 6 (тактический номер «50», белый) при помощи аэродромного стартера, размещенного ни грузовике. Самолет принадлежит морской авиации Балтийского флота, август 1941 года. Под крыльями И-16 подвешены реактивные снаряды.

И-16 тип 5

И-16 тип 6

Советский пилот обсуждает свой боевой вылет на штурмовку со своим механиком. На его самолете И-16 тин 6 установлены четыре направляющие для реактивных снарядов PC-82. Щитки со стоек шасси демонтированы. Это являлось общей практикой на самолетах, летающих с плохо подготовленных передовых аэродромов.

Этот И-16 тип 6 поздних выпусков был захвачен румынскими войсками в начальный период войны в ходе их продвижения к Одессе. С самолета демонтировано вооружение, трубка Пито сломана.

Постепенно И-16 тип 5 заменялся на сборочных линиях авиазаводов №№ 21 и 153 следующей модификацией истребителя – И-16 тип 6. К концу 1937 года – моменту, когда их производство было прекращено, было построено около 2200 экземпляров обеих модификаций.