日本法西斯于1937年7月正式发动侵华战争后，日本航空兵在中国上空进行肆无忌惮的空中入侵作战。于是，前苏联向中国派出了志愿航空飞行人员，协助中国进行空中抗日作战。前苏联在华的飞行员使用的战斗机之一，就是伊-16战斗机。此外，前苏联还向中国方面提供了一些伊-16战斗机。伊一16战斗机，是前苏联著名飞机设计师波利卡尔波夫的杰作，然而，却是在他身陷图图的时候构思出来的“梦想战斗机”。上世纪20年代后期，前苏联开始肃反。但由于政策的失误，肃反出现了扩大化，波利卡尔波夫和他的设计组全被抓进了监狱。在监狱里，他继续心系蓝天，考虑研制新型战斗机。
1930年，前苏联决定，大力加强航空兵。因此，前苏联急需新型战机和武器。在这种情况下，曾经设计了前苏联大部分小型飞机的波利卡尔波夫“枯木逢春”。1932年8月，波利卡尔波夫从监狱中被释放出来。他开始研制伊一14A工程战斗机。很快，新型战斗机就研制出来了，它就是伊一15战斗机。然后，他开始研制另外一种战斗机，这就是他在监狱里构思的“梦想战斗机”。根据在监狱的构想，“梦想战斗机”为单翼，机身大部分由木质材料构成，机翼由钢管组成，薄的硬铝和蒙布覆盖机体，机尾由铝管和帆布组成。这就是后来闻名于世的伊一16战斗机。当时，世界多数战斗机还是双翼的，因此，波利卡尔波夫的设计具有世界性超前意识。
该型机生产时，为了保密，代号为TSKB-12。一般人对这个代号是很难猜出来的。然而，波利卡尔波夫心里十分清楚它是什么意思。原来，该型机的设计十分简单，重量很轻，个儿也很小。前苏联为了充分利用廉价的劳动力，动用了监狱的犯人生产了该型机，TSKB-12是一个犯人小组的编号！
1933年12月31日，首架原型机进行了试飞。这架原型机由一台编号为M一22的发动机驱动，发动机可以产生450马力。前苏联发现，该型机存在许多问题，包括难以驾驶、稳定性差、横滚和斤斗令人出奇的快。
虽然如此，前苏联航空专家认为，该型机还是比伊一15战斗机要好。因此，前苏联加紧了该型机性能的完善工作。1934年，前苏联两家工厂开始建造该型机。
1936年，伊一16战斗机正式进入前苏联空军服役，具体型号为伊一16第4型，起落架可以收放，成为前苏联第一种可以收放起落架的下单翼战斗机，也是世界上第一种可以收放起落架的下单翼战斗机。该型战斗机结构简单，易于维护，便于组装，很适合在战争环境中投入作战。
随后，第5型面世，配备了新型M一25发动机，可以产生700马力。该型机成为伊-16生产最多的型号，先后交付了3000多架。
1936年7月18日，西班牙发生内战、西方一些国家支持的反政府武装向共和政府发动叛乱，西班牙革命武装力量与反政府武装展开了作战。内战迅速扩大，德国法西斯开始出兵作战。为此，西班牙革命武装紧急呼吁前苏联进行支援。前苏联不得不派出志愿人员进行支援作战，包括动用伊-16战斗机进行空中作战。据统计，斯大林下令向西班牙革命政府提供了500架伊-16第5型和第6型战斗机。伊一16战斗机投入空中作战后，沉重打击了反政府武装使用的纳粹He-51战斗机和Aa-68双翼战机。伊一16战斗机在西班牙扬眉吐气，名声大震。然而，希特勒不甘心西班牙反政府武装的失败，很快就向西班牙反政府武装派去了极为先进的bf一109战斗机。只有两挺机枪的伊-16战斗机很难与bf一109战斗机空战。不久，伊一16战斗机不得不进行空中防御作战。
1937年7月，日本法西斯发动侵华战争后，中国面临极为严峻的作战环境，抗击日本法西斯的航空兵极为虚弱。8月，前苏联紧急向中国方面提供6个旅的战机，包括两个旅的轰炸机和4个旅的战斗机。后来，前苏联又向中国送来了200架战和伊一16战斗机等。其中，一些前苏联志愿飞行员来华，驾驶伊-16等型战斗机，协助中国人民进行空中抗击日本法西斯的作战。
随着战云在欧亚大陆密布，一些国家加强了战斗机的研制和开发。于是，多种型号的战斗机开始问世。在这种情况下，伊~16战斗机逐渐进入了老化的行列，作战性能逐渐被德国法西斯和日本法西斯新型战斗机超过。然而，该型机在服役的几年里依然是前苏联一线战斗机，大量部署一些边境地区的空军基地。1941年6月纳粹袭击前苏联前，该型机还是前苏联空军部署最多的战斗机，占前苏联战机数量的一大半。
1941年6月22日，德国法西斯突然袭击前苏联，该型机惨遭损失，数百架被击毁在机场。还有人说，大约1000架被击毁。此外，还有多架该型机在空战中被德军先进的bf一109等型战斗机击落。由于前苏联新型战斗机设计速度很慢，该型机依然是前苏联空中抗击法西斯的重要战斗机。该型战斗机的空中作战一直坚持到1943年。
纳粹发动闪电入侵后，迅速占领大片领土，前苏联不得不进行卫国战争。在这种情况下，前苏联已经难以向中国方面再提供战斗机了，包括伊一16战斗机的供应也予以中断。据统计，前苏联先后向中国方面提供了大约200架伊-16战斗机，也有人说是250架。其中，绝大多数是伊一16第10型战斗机。伊-16第10型战斗机，是从1937年开始生产的，翼展为9米，全长6米，高2.45米，空重只有1.2吨多，总重为1.7吨。发动机为新改进的M-25V，可以产生750马力，最大时速为460公里，实用升限为9000米，作战航程为800公里。与前面的型号相比，该型机增加了武器，主要是增加了两挺机枪。空战时，该型机可以使用4挺7.62毫米机枪。其中，机翼为两挺，备弹900发；机头为两挺，备弹650发。该型机还可挂载200公斤炸弹对地攻击，或者配备4到6枚RS-82火箭进行空中作战。为了更好保护飞行员，该型机还在座椅上增加了防弹装甲片，它就是8毫米的防弹板，可以阻挡12.7毫米子弹的袭击。
1939年，伊一16第10型战斗机开始空中抗击日本法西斯战机，曾经击败了日军Ki-27战机，大战日本法西斯的A5M战斗机。日本法西斯不甘心空中受到牵制，1940年开始使用更先进的A6M零式战斗机。零式战斗机的作战性能高于伊-16第10型战斗机，包括武器和战机性能等方面。伊一16战斗机损失开始增多，最后，不得不退出空战行列。其中，一些该型机转为空中联络机，还有一些在翼尖配备了相机，成为侦察机。
在前苏联卫国战争期间，该型机成为有名的空中撞击机。一旦战斗机用完弹药，飞行员就使用该型机撞击法西斯战机，将敌机撞落。在这种战法中，伊-16战斗机飞行员经常撞击德军轰炸机尾部。战斗机撞击前，飞行员设法跳伞逃生。当然，一些飞行员也献出了自己宝贵的生命。
该型机在使用的时候，有许多外号。其中，前苏联有人把它叫做“底”和“小驴子”。在西班牙，有人把它叫做“小苍蝇”。在中国，有人把它叫做“小耗子”。在日本，有人把它叫做“牛虹”。
前苏联对该型机进行了多次改进，拥有多种型号，包括第17、27和28型等，改进项目包括发动机和武器等。纳粹入侵前苏联前，一些型号配备了威力更大的20毫米机炮，然而，由于机炮供应短缺，只有少量机型配备机炮。虽然如此，该型机成为前苏联前线航空兵中极有成力的
在二战中，少量该型机曾秘密配备了极为先进的火箭，成为世界上为数极少的火箭战斗机。二战期间，世界上只有德国，美国和前苏联等少数国家的战斗机配备了火箭。二战期间，前苏联先后生产了7000多架该型机，该型机成为前苏联有名的王牌战斗机。其中，第24型机生产了934架，第29型机生产了650架。然而，该型机能够幸存下来的很少。
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