Aunque a nivel internacional la existencia del I-16 sería mantenida en secreto durante algunos años, más exactamente hasta la Guerra Civil Española, si excluimos su fugaz aparición en la exhibición de Milán de 1935-, el primer vuelo del prototipo tuvo lugar el 31 de diciembre de 1933, cuando, con el piloto Valeri Chkálov a los mandos, alcanzó una velocidad de 360 km/h.