В начале 1939 года, М-62 был установлен на И-16 тип 18, и в Жуковском начались испытания истребителя с новым двигателем. И-16 тип 18, оснащенный двигателем М-62 отличался от И-16 тип 10 наличием дополнительного воздухозаборника в верхней части капота двигателя. Кроме того, в нижней части капота было сделано два окна для вывода сдвоенных выхлопных патрубков, вместо окон для отдельных патрубков, как это было на И-16 тип 10.

Наряду с установкой М-62 истребитель также оснастили воздушным винтом изменяемого шага АВ-1. Внешне винт АВ-1 можно было отличить от более ранних винтов но двум круглым весовым балансирам на его оси и более широким лопастям. Кок винта также был увеличен, чтобы прикрыть механизм перестановки лопастей.

Благодаря более мощному двигателю и воздушному винту переменного шага, И-16 тип 18 имел существенно лучшие летные характеристики, особенно на больших высотах. В то время как И-16 тип 10 имел максимальную скорость 448 км/час на высоте 3160 метров, И-16 тип 18 достигал максимальной скорости 464 км/час на высоте 4400 метров. Кроме того, потолок был поднят с 8260 метров до 9470 метров.

За исключением нового двигателя и воздушного винта первые серийные И-16 тип 18 были очень похожи на И-16 тип 10. В результате единственным видимым снаружи отличием, по которому можно было различить И-16 тип 18 и И-16 тип 10, был увеличенный кок винта и воздухозаборник в верхней части капота двигателя.

Более поздние серийные истребители И- 16 тип 18 имели дополнительную дверцу для посадки в кабину, добавленную на правой стороне фюзеляжа. В начале И-16 тип 18 перенял от И-16 тип 10 хвостовой костыль, но позже его заменили хвостовым колесом. Вооружение И-16 тип 18 было таким же, как и у И-16 тип 10.

Из-за большего расхода топлива двигателя М-62, дальность истребителя снизилась с 525 км до 485 км. В результате И-16 тип 18 был модифицирован, и мог нести под крыльями два дополнительных 200 литровых топливных бака, которые увеличивали максимальную дальность до 1100 км.

И-16 тип 18 рассматривался только как временный вариант, предназначенный, чтобы поддержать серийное производство, до момента поступления более совершенного двигателя М-63. В результате, И-16 тип 18 был построен в ограниченном количестве.

И-16 тип 18 получил боевое крещение в заключительных боях конфликта на Халхин-Голе в Монголии. Он также принял участие в Зимней войне с Финляндией и Великой Отечественной войне.

Многие И-16 тип 24 получили двухцветную камуфляжную схему окраски (оливково-зеленые и темно-зеленые пятна) как и этот истребитель (тактический номер «30», желтый) на фотографии.

В ходе Зимней войны с Финляндией (ноябрь 1939 – март 1940 года) был захвачен только один И-16 тип 18 ранних выпусков (оборудованный лыжным шасси), совершивший аварийную посадку на финской территории.

Самолет получил регистрационный код «VH-20I». Позже он был изменен на «УН- 21», тогда же оригинальная советская камуфляжная окраска была заменена зелено-серым камуфляжем финских ВВС. Серебристые лопасти воздушного винта АВ-1 были окрашены в черный цвет и имели желтые законцовки. 10 апреля 1940 года, самолет из-за отказа двигателя совершил аварийную посадку на замерзшее озеро Пуайарви (Pyhajarvi), однако пилот, лейтенант И. Висапаа (J.Visapaa), не пострадал. После ремонта, 12 марта 1941 года самолет был передан в Lentolaivue 24. Через месяц – 15 апреля «VH-21» был передан Германии, для испытаний. В финских ВВС истребитель успел налетать только шесть часов двадцать минут, в ходе оценки самолета.

Вскоре, после того как И-16 тип 18 был запущен в производство на заводах №№ 21 и 153, ОКБ Поликарпова разработала новую, более мощную версию истребителя. Это стало возможно благодаря усилиям по совершенствованию двигателей, предпринятых на моторостроительном заводе № 19 в Перми. Продолжая работу над М-62 здесь была разработана его очередная модификация, получившая обозначение М-63.

М-63 имел мощность 1100 л.с. (у М-62 – 1000 л.с.) при весе всего на 5 кг больше. Этот двигатель был выбран для установки на модифицированный И-16, получивший в серии обозначение – И-16 тип 24.

На И-16 тип 24 было сделано множество конструктивных усовершенствований фюзеляжа и крыльев. Была увеличена толщина обшивки крыла, а также добавлены дополнительные нервюры. На левом борту, в задней части фюзеляжа, был добавлен инспекционный люк. Внешне, кроме этого люка, И-16 тип 18 и И-16 тип 24 были почти идентичны.

Командир, дает последние инструкции нилоту истребителя И-16 тип 24. Дверца кабины на правом борту фюзеляжа была одной us характерных особенностей типа 24.

Наземный обслуживающий персонал выполняет проверку И-16 тип 24 на полевом аэродроме, лето 1940 года. Этот самолет несет под крылом дополнительные топливные баки емкостью 200 литров.

Государственные испытания И-16 тип 24 начавшиеся в первой половине 1940 года, показали, что не было получено никакого существенного улучшения летных характеристик но сравнению с И-16 тип 18, а фактически маневренность даже несколько снизилась. Возросший вес усиленной конструкции крыла и фюзеляжа «съел» дополнительную мощность, полученную в результате установки двигателя М-63. Полный вес И-16 тип 24 увеличился до 1882 кг. Максимальная скорость оказалась незначительно выше, чем у И-16 тип 18 – 470 км/час на высоте 4800 метров. Скороподъемность 984 м/мин была несколько ниже, чем у И-16 тип 18 – 1097 м/мин. Единственное реальное преимущество, которое обеспечивал двигатель М-63, был больший потолок, который увеличился до 11300 метров (10812 м для И-16 тип 24). Увеличенный расход топлива М-63, привел, однако к снижению дальности полета до 440 км.

Несмотря на свои недостатки, И-16 тип 24 был запущен в серийное производство, и вскоре заменил И-16 тип 18 на сборочных линиях заводов №№ 21 и 153.

На 1 октября 1938 года, советские ВВС имели на вооружении 1763 истребителей И- 16, а к 10 февраля 1939 года, их количество увеличилось до 2004 шт. Большинство из этих истребителей базировалось в Ленинградском, Киевском, Московском, Белорусском, Забайкальском военных округах и на Дальнем Востоке.

И-16 тип 27 готовят к боевому вылету. С самолета сняты щитки стоек шасси, это была обычная практика при действиях с полевых аэродромов. Тип 27 стал последней пушечной модификацией И-16, строящейся серийно.