从第一次世界大战结束到第二次世界大战爆发的“二十年休战”期间，航空工业的发展进入了一个新阶段。
大战结束后，“战争需求”这一航空工业发展的巨大推动力消失了，但是飞机在战争时期的发挥的巨大作用使人们看到了航空工业的巨大潜力。飞机设计师和私人航空公司不顾官方的条条框框，在探索中不断创新，并将其想象付诸实践。在这二十年间，先后问世的航空新技术就有硬壳式轻型合金结构、悬臂单翼、收放式起落架、密封座舱、动力传动炮塔、襟翼、可变距螺旋桨、发动机增压器，以及包括自动驾驶仪在内的一系列供飞行和导航的设备等。
作为世界上第一个新制度政权，苏俄从诞生那天起就处于敌对势力的包围中，因此它有着一种天生的不安全感。所以从立国那天起，这个政权就定下了优先发展重工业，尤其是军事工业的基调。
20世纪30年代是航空技术发展的高峰时期，各国空军都在研制新型战斗机，以替换老旧的蒙布木结构和半金属结构的双翼战斗机。而恰在此时又爆发了世界性的经济危机，苏联利用西方政府和企业在经济危机中出现的困难，集中几乎部资金在工业生产系统的引进上进行了成功的抄底采购。
短短的10年时间里，苏联就建立起了一个庞大的工业体系，而以重工业为核心的工业基础大都与军工有直接的联系，并且利用合作和技术引进等方法获得了很多美国和欧洲的先进技术。苏联以从欧洲和美国引进的多种较先进的航空发动机为基础，依靠引进和仿制改进的发动机支撑起了苏联军事航空产品的发展，为苏联航空科研系统开发自己的产品争取了时间。
由于苏（俄）联政权诞生时的险恶环境，它似乎被一种莫名的恐惧所笼罩，好像周围永远都是敌人。而正是这种极度的不自信，使得执政的联共（布）从一开始就用一系列残酷的手段来镇压认为对自己有威胁的人或事，并且在30年代达到顶峰，表现为党内的大规模清洗以及对无辜人员近乎病态的迫害，其中就包括大量优秀的国防工程师。
由于在“大清洗”中被逮捕的工程师非常之多，苏联政府不得不在监狱内让这些工程师继续从事武器的设计和研发。早在1929年就在布特尔监狱内设立了“内部监狱设计局”，后来设计局迁到霍德飞机场地区，改名为中央设计局第39号。为首的是一战沙俄水上飞机设计师——德米特里·巴甫洛维奇·格里戈罗维奇（Дмитрий Павлович Григорович）和当时苏联年轻的飞机设计师——尼古拉·尼古拉耶维奇·波利卡尔波夫（Николай Николаевич Поликарпов）。
尼古拉·波利卡尔波夫曾在苏联多家飞机制造厂工作并设计出多款不同类型的飞机，尤其以PO-2教练机最为著名。但由于伊-6战斗机设计失败，波利卡尔波夫及其他大批飞机设计师在1929年10月被内务人民委员会逮捕，波利卡尔波夫以“参与反革命破坏分子组织”的罪名被捕入狱且未经法庭审理即被判处死刑。但内务部的官员意识到了波利卡尔波夫对苏联空军的重要性。两个月后，他就被送至布特尔监狱的“内部监狱设计局”，即中央设计局第39号。1931年，内务人民委员会把对波利卡尔波夫的判决从死刑改为劳改10年。在这里，他与德米特里·格里戈罗维奇在严密的监视之下被命令继续从事战斗机的研究、设计工作。
1933年11月末，伊-16战斗机的原型机——TsKB-12诞生了，它的机身上涂着一个奇怪的标记：一颗中间带有“VT”字样的红五星（VT即代表“内部监狱”）。
TsKB-12工程由波利卡尔波夫于1932年夏绘出图纸，整个设计显示出大胆前卫的思路并运用了当时最新的技术，在世界上率先同时采用了臂悬式下单翼可收放式起落架和全封闭滑动座舱罩。虽然当时世界航空界仍然以双翼机固定式起落架为主流，但是波利卡尔波夫已经敏锐的意识到了臂悬式下单翼和可收放式起落架的优越性，并将其大胆的应用到新型战斗机的设计上。
在经过风洞模型试验后又对几个结构进行了改进，于1933年开始制造第一架原形机。装有M-22发动机的原形机共造了两架，M-22型是苏联仿制英国的布里斯托-木星VI型发动机，功率480hp。
TsKB-12试验型机用的是苏制双叶片螺旋桨，没有装备武器，不过在机翼上装了两根金属管以模拟机枪的位置。
由于苏联缺少足够的铝资源，所以机体采用铝木混合材料，机翼使用镀铬钢做成翼梁，硬铝肋骨，用铝合金和布做蒙皮。机身以松木制框架支撑，覆盖胶合板。尾翼用硬铝做框架布制蒙皮。由于当时液压助力系统并没有被广泛使用，所以起落架是采用机械收放的，用手轮带动传动钢线操纵。
TsKB-12在1933年12月30日和31日两天的试飞过程中，暴露出了纵向稳定性差和起落架收放烦琐（需要用手轮不停的上下摇动）的缺点，但是速度和水平机动性非常令人满意。如果飞行员操作处理得当的话，它不失为一架优秀的战斗机，几位试飞员在试飞后给得出的结论是“这是一架只适合熟练飞行员的战斗机”。
由于TsKB-12试飞期间存在一些缺陷以及M-22发动机的局限性，1934年1月，装有美国怀特-旋风SGR-1820-F-2（因原定的SGR-1820-F-3未按时到达）发动机的TsKB-12bis完成首航。TsKB-12bis使用汉密尔顿标准三叶片螺旋桨和安装了一个更长的发动机整流罩。于1934年2月18日由著名飞行员瓦西里·巴甫洛维奇·察卡洛夫进行试飞验收，试飞中TsKB-12bis显示了优越的飞行速度，但是仍存在易陷入尾旋和起落架可靠性不足的问题。
在TsKB-12bis的这些缺陷还未得到改善时，航空制造部门就决定以伊-16-4型的编号投入批量生产。由于仿制SGR-1820-F-3的M25型发动机还没有完全解决生产技术问题，所以前期的伊-16-4型有一些装美国原装的SGR-1820-F-3或以M-22发动机临时代替。伊-16-4型战斗机为混合构造，木质机身，机翼由全金属制造。机身由垂直分割的两部分组成，每部分由4条纵梁和11根松木骨架构成。机身蒙皮为粘合而成的桦树皮，厚度从4毫米至2.5毫米不等。
1934年10月，第一架伊-16-4型战斗机从GAZ-21出厂。1935年，伊-16-4型在莫斯科红场纪念“五·一”国际劳动节的群众集会上首次露面，编队飞过红场上空。随后，伊-16-4型生产了约400架，开始装备部队。
一次试飞中，TsKB-12bis降落时由于起落架崩溃而导致飞机损毁。因此，又为起落架装上了舱门，以便让它在飞行中可以完全收在机翼里。此外，还安装了一个新设计的非常简洁实用的操纵杆，并且在驾驶员椅背上加装了8毫米的装甲（这是苏联第一个在椅背上安装装甲的机型）。同时长期等待的712hp的美国怀特-旋风SGR-1820-F-3发动机到达了，设计组马上决定使用这种发动机作为TsKB-12bis的动力。由于使用新的发动机，发动机整流罩也重新设计成一个头大脚小的圆锥形，在它的顶部开有9个冷却进气口，沿壁侧各有8个排气口槽，7个单独的排气口，整流罩左舷上方的排气口槽为一对并排的排气孔。为了增强机翼的刚性，在机翼的覆盖物上增加了金属的成分以使机翼能发挥更好的性能。新设计采用了汉密尔顿的双叶片标准螺旋桨。安装在飞机上的滑动式座舱罩在当时还属于新鲜事物，不过飞行员普遍不是很欢迎这种设计，他们更习惯打开仓罩飞行，因为他们认为这种座舱罩有碍视野（由于用于座舱罩上的玻璃透光性不好），并且害怕在紧急情况发生时容易使驾驶员陷入困境。
1934年9月，改型后的TsKB-12bis被重新送回研究所，接受国家验收。改型后的TsKB-12bis不但解决了上述问题，而且时速可以达到437公里/小时，爬升速度也达到了2646英尺/分钟。因此，人民航空工业部授权优先生产伊-16-5型战斗机。但发动机频频出现的问题又让飞机的批量生产推迟了近一年。
1935年7月开始生产的伊-16-5型全部装备了M25发动机，安装了更加先进的ShKAS7.62毫米机枪（射速为1800发/分钟）以替换PV-1机枪，并可以挂载200公斤炸弹。尽管伊-16-5型在飞行速度和爬升方面有优势，但它对飞行员的操作灵敏性要求很高，而纵向稳定性却不太好，飞机在滑翔时接近失速状态，爬升或翻转时，发动机还会发生剧烈震动。
部分伊-16-5型安装了短波RSI-3无线电接收装置，其特征是位于垂直尾翼顶端的小型天线。RSI-3带有接收器和发射装置。通常来说，一个飞行编队只有队长的座机同时装有接收和发射装置，其余的只装其中一种。
直到1937年末被淘汰之前，伊-16-5型共生产了2200多架。
在GAZ-21和GAZ-153工厂的生产线上，伊-16-6型与伊-16-5型被同时生产出来，两者的差别极其细微。伊-16-6型使用了性能更好的M25A型发动机，并缩小了背脊改善了后方视野。大部分安装了照相枪，由新型的PAK-1瞄准具替换了老式的OP-1型管形瞄准具，并且根据飞行员的要求取消了滑动坐仓罩只保留一块前风挡。许多伊-16-6型也被用于对地攻击任务，并可挂载4~6枚RS-82火箭。
1937年，基于伊-16-5型设计了UTI-4双坐教练机，它先后使用过M-25、M-25A和M-25V型号的发动机，有一部分UTI-4的起落架被改成了固定式的。在卫国战争早期双坐的UTI-4也被用于执行侦察任务，尽管在1944年伊-16已经基本退役，但是UTI-4却仍然作为教练机一直使用。
1936年7月，西班牙爆发内战，以苏联为首的国际纵队携带着大量武器，参与到这场国际势力的角逐中，其中就包括伊-16战斗机。因为这种飞机速度极快，西班牙人给它起了个绰号——“苍蝇”。1936年10月末，第一批伊-16-5型战斗机运抵卡塔纳赫港，用于组建西班牙共和国“苍蝇1号”和“苍蝇2号”两支战斗机分队。
共和军共组建了苏联陆续向共和军提供了大约500架左右的伊-16-5型。在1935至1937年间，伊-16-5型是世界上飞的最快的战斗机，但是作战初期，在和比它慢的多但机动性和操纵性都不错的意大利菲亚特CR.32双翼战斗机交手中屡屡失利。
在西班牙作战的经验表明，伊-16-5型和伊-16-6型的两挺7.62毫米机枪火力已经明显不足以应付当时的空战，而此时西班牙内战正酣空军迫切需要对伊-16的火力进行必要的加强。1937年12月25日，苏联国防人民委员克列缅特·叶菲莫维奇·伏罗希洛夫元帅（Климент Ефремович Ворошилов）（图14）给GAZ-21飞机制造厂主任米罗什尼科夫去信，敦促要求尽快开发新的伊-16改进型以替换目前伊-16-6型的生产。米罗什尼科夫答复在一年之内可以转化生产，伏罗希洛夫回复要求最终期限为——两天！显然这个命令起了作用，很快在1938年新年前夕就完成了设计编号为10型并马上投入生产。1938年1月11日试飞，3月即运送到西班牙战场上投入战斗。 q&NE'5
伊-16-10型增加两挺ShKAS机枪安装在机鼻上，明显凸起的机枪整流罩成为在外观上与以往伊-16的最大区别。此时马力更强的M-25V发动机已经可以投入使用并马上装备在伊-16-10型上，但一些早期生产的伊-16-10型仍然使用M25-A发动机。由于M25-V动力增加了近140马力同时重量也增加了24公斤，所以在使用新发动机的发动机整流罩“下颚”上增加了一个T型的进气口，排气口形状也变的更圆了。在座椅的靠头部位上又加装了8毫米装甲板，可以抵御12.7毫米口径武器的射击。部分10型为了在冬季使用安装了雪橇。由于使用了可回收式雪橇，所以并没有影响到它的机动性能。
在西班牙，还有一种安装走私引进的美国莱特-飓风SGR-1820-F-54发动机的伊-16-10型，作为战斗机一直使用到1943年。部分10型与18、24、28型一起改为联络机或高速侦察机（在右翼尖加装照相机），一直使用到1944年。
1937年7月7日，卢沟桥事变爆发，全面抗日战争正式打响。当年8月，因为对日抗战期间中国军队损失惨重，自中东路事件僵化的中苏关系有着解冻的契机。8月20日，中苏签订了《中苏互不侵犯条约》和《军事技术援助协定》，同年，第一批伊-16-5型战斗机抵达中国。
苏联援助给中国的伊-16
1937年11月2日，中国空军王牌飞行员高志航奉命赴兰州接收苏联援华的一批伊-16-5型。根据命令，他率援助的战机飞至河南周家口，因天气恶劣留原地待命。11月21日，周家口机场接到报告，有11架日军轰炸机向该机场飞来。他立即下令作战，然而此时日军战机已飞至机场上空，在日机的俯冲轰炸下，高志航登上座机，刚进入机舱即被日军战机投下的炸弹炸中殉国，时年仅30岁（高志航阵亡后，被国民政府追赠空军少将衔）。
高志航
中苏条约签订以来，苏联向中国提供的大约200架伊-16中大多数是10型，与苏联援华航空队一起在抗日战争初期的空战中发挥了很大作用。陈纳德的回忆中对于伊-16以高速俯冲的混合动作甩开日军战机有着深刻印象，这个回忆经过整理成为日后训练飞虎队时重要的空战技巧。
1938年4月28日，抗战史上最大规模的空战——武汉大空战拉开序幕。当天，空军4大队三个中队的伊-15和伊-16战斗机兵分三路赴武汉三镇，与日本空军一支13架三菱重轰和27架护航战斗机的编队遭遇，双方展开激烈战斗。日军被击落轰炸机1架、战斗机11架；中方损失9架，阵亡4人。次日，又爆发了第二场战斗，27架日军战斗机掩护着18架攻击机再度飞临武汉，中国空军的第3、第4、第5大队19架伊-15和苏联志愿飞行队的45架伊-16起飞拦截，30分钟后空战结束。日军被击落31架，被击毙飞行员50人；中方损失12架。
1939年2月20日，50名中国飞行员和14名苏联飞行员分别驾驶伊-15和伊-16战斗机起飞作战，击落日军飞机9架。2月23日，中苏两国飞行员又击落6架日军轰炸机。
中国空军王牌柳哲生在他的伊-16座机前，时间约为1937至1938年初
但随着日寇的飞机数量和质量不断增加，伊-16逐渐落后于敌方。
1940年10月4日，日军27架轰炸机由8架零战护航，空袭成都。中方出动伊-16拦截，其中5架被击落，其余19架在地面被击伤。10月7日，日军又出动由7架零战护航的27架轰炸机空袭昆明，击落中国空军13架伊-16。
从1940年8月19日至1940年末，日军共出动零战153架次，在自身未受损失的情况下击落中方59架飞机。至1941年6月，中国空军仅剩89架残破的伊-15和伊-16战斗机。
1941年4月，苏联背信弃义，单方面撕毁《中苏互不侵犯条约》，与日本签订了《苏日中立条约》（该条约另附有：“……苏联誓当尊重满州国之领土完整与神圣不可侵犯性，日本誓当尊重蒙古人民共和国之领土完整与神圣不可侵犯性”。1945年4月5日，苏联又单方面宣布废止该条约），停止对华军售，并撤走了苏联志愿航空队。
伊-16P型（12型）是苏联第一种尝试在战斗机上安装机炮的机型，伊-16P型使用5型的机体在机翼中装两门备弹150发的ShVAK 20毫米机炮（每门有150发炮弹），同时翼下还有6个Der-31炸弹挂弹架。
使用10型机体的TsKB-12P后来还实验安装过4门ShVAK 20毫米机炮。
以上两种都是实验型机没有投入量产。
伊-16-6型和伊-16-10型在西班牙战争期间表现出对地攻击火力不足的缺点，此时，苏联空军需要在伊-16上装一种火力强大的武器，以打击装甲车辆和地面防御目标。由于已经有了伊-16-P和TsKB-12P的经验，波利卡尔波夫很快就在伊-16-10型的机身上用两门20毫米ShVAK机炮替换了机翼上的7.62毫米ShKAS机枪。ShVAK机炮可根据不同的任务目标装杀伤燃烧弹和穿甲燃烧弹也可以一起使用。这种装ShVAK机炮的伊16-10型被编以伊-16-17型，马上开始投入量产。
安装了20毫米ShVAK机炮的伊-16-17型
由于安装了20毫米机炮，伊-16-17型增加了84~90公斤的重量，虽然对水平速度的影响不是很大，但爬升速度却大大降低了。伊-16-17型没有用于出口，而是参加了1939年与日本人在边界诺门坎上的冲突。当卫国战争开始时，装有机炮的17型和27型的伊-16在攻击地面德军行军纵队和装甲目标时充作强击机使用，直到性能更好的伊尔-2在主要战场上取代了它，这时的伊-16-17型大多被分配到了诸如波罗的海和黑海地区的次要战场上。
一架在机场上被击毁的伊-16（10型或17型）
早在1937年，苏联就意识到了战争的迫近，因而向飞机制造厂的设计师们提出了一项要求，即开发兼具远程轰炸机的航程和小型轰炸机的使用灵活性的打击武器。于是设计师们就想到了挂载，只不过这次挂载的不是炸弹或火箭，而是战斗机！在4发的图波列夫TB-3重型轰炸机的两翼下挂载2架SPB（高速俯冲轰炸机）。
SPB其实就是伊-16战斗机的变型。中央设计局对伊-16进行了改装，以7.62毫米ShKAS机枪替换安装在机翼内的20毫米机炮，从而减轻了重量，在两翼下各安装一个炸弹架，挂载250公斤炸弹；还在机上增加了俯冲减速板。改造后的飞机正式命名为TsKB-29。
这种组合将TB-3的航程和伊-16的速度巧妙地结合起来。在飞行阶段，伊-16从TB-3的油箱中获得燃料，双方在敌军防空火力圈以外分离，TB-3立刻返航，而以-16依靠自身燃料进行突袭，投弹后尽量不与敌机纠缠而迅速逃逸。经过一系列飞行/投弹试验后，SPB正式投产并装备部队由于这个组合完全立足于现有装备，所谓的“投产”就是在前线将12架伊-16和6架TB-3按照试验机的样式组合而已。
经过改装的TB-3轰炸机，每个机翼下面各悬挂一架伊-16战斗机，挂载250公斤炸弹。
1941年8月1日夜间，苏军首次对罗马尼亚海港康斯通尼加的岸上设施实施轰炸。2架TsKB-29在黑海上空4000米处脱离母机，投弹后顺利返航，但并没有给敌军造成什么重大损失。次日，又有3架TsKB-29实施第二次夜间轰炸，这次攻击目标为停泊在港口内的德军军舰。不幸的是，由于当夜能见度很高，投弹后即被德军巡逻的Bf109F战斗机发现并追击，2架SPB被击落。
8月3日，苏军又组织了第三次攻击，轰炸康斯通尼加的炼油厂，依然采用夜间出击。这次行动极为顺利，虽然4架SPB全部受损，但都击中了输油管线并顺利返航。
后来，TsKB-29还对罗马尼亚的一些港口、炼油厂和德军集结地进行了攻击，但由于敌方的防空火力显著增强，危险性越来越大，这种组合逐渐销声匿迹了。
战斗中的TsKB-29
1939年，GAZ-19制造厂开发出了具有强大动力的“雪维索夫”M-62发动机，新发动机使用了两段增压，以额外增加46公斤重量的代价获得了1*800/920马力的功率，并保持了和M-25V相当的尺寸，M-62首先安装在一些伊-16-10型的机身上并且使用了AV-1调距螺旋桨，随后装备这种发动机的伊-16被编号为18型。18型的外型特点还有在发动机整流罩顶部开有一个新的进气口，在壁侧下方的排气口由一个单独的大排气口变成一对并排的小排气口。由于使用了功率更强的发动机和较为先进的螺旋桨推进器，18型的速度和升限都获得了可观的增长，飞行稳定性也比以往型号有所增强。唯一的问题是油耗增加了，这使原本计划为高速轰炸机护航的任务很难完成。但不久设计师们就在伊-16-20实验型上用外挂油箱的办法解决了这个问题。伊-16-20型装有两个外挂油箱飞行范围从800公里增加到了1200公里，20型并没有作为一种批量生产型号，但外挂油箱的技术用在了18型和以后的24、29型上。
1939年，随着M-62的使用（之前的用10型机体的18型只作为一种过渡型存在）,新的伊-16-24型对机体结构也进行了一些加强，而且对机翼的坚固性要求也更为严格。在外观上与以往的伊-16的区别，就是在机身右舷后部上多了一个检修舱门。这时的24型大都装备了M-62的改进型M-63发动机，但是伊-16-24型新增加的重量几乎抵消了新发动机所增加的动力。所有的24型大都要在机翼上挂载油箱，因为M-63的耗油量使24型的航程只能达到440公里。
伊-16-24型的双机编队
1939年的伊-16-27型作为攻击机替换了17型的生产，27型的武装基本与17型相同，只不过换装了M-62发动机，并对机体结构进行了加强。
1940年，由于12.7毫米 UB重机枪的应用，促成了伊-16的最终改型——伊-16-29型。作为伊-16战斗机家族的最后一名成员，29型生产到了1941年（所有的伊-16自1934到1941年总共生产了9450架）。29型主要改进为一挺12.7毫米UB重机枪被安装在了整流罩的下方，这使原来的T型进气口被移动到了整流罩右舷的旁边。大多数都在脊背上安装了无线电，一些在右舷翼尖下携带了侦察照相机。挂载武器包括多种类型炸弹和4-6枚RS-82火箭。
整装待发的伊-16飞行队
当1941年德国入侵时，苏联大约有7000架伊-16在服役。尽管已经有些显得过时，然而它仍然作为卫国战争初期的主力战斗机发挥了不小的作用。如果德国飞行员要与伊-16缠斗的话，会发现伊-16的突然提速能力使它很容易在混战中抢占有利位置，这时德国飞机只能通过急速爬升或俯冲摆脱掉伊-16。最令人惊奇的是，有些飞行员受过特殊训练用伊-16去撞击德国轰炸机然后跳伞，理论上伊-16的撞击力允许飞行员在撞击之后从容跳伞。
彼得·彼得罗夫少校和他的伊-16，他于1941年阵亡。卫国战争初期，苏联红军没有先进的战斗机，很多优秀的飞行员不得不驾驶着伊-16与德国空军的BF-109拼命
伊-16作为战斗机一直使用到1943年，之后所有的伊-16基本都退居二线。
纵观伊-16的研发过程，可以发现，这是工业（尤其是航空工业）基础薄弱的苏联一次非常有意义的尝试。作为苏联第一种单翼战斗机，从设计上来说，伊-16还不够完美，尤其是其开放式座舱和布质蒙皮机身，但作为先行者，伊-16为二战苏联各型战斗机的设计奠定了基础，从这一点来说，伊-16成功完成了它的使命。
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