Разработка и запуск в серийное производство
В мае 1931 г. Н.Н. Поликарпов получил назначением на должность заместителя начальника бригады №3 ЦКБ-ЦАГИ П.О. Сухого. Бригада занималась проектированием истребителя-моноплана И-14 с гофрированной металлической обшивкой и убирающимся шасси.
Первый прототип истребители И-16 с двигателем М-22. 
Самолет ЦКБ-12, снимок весны 1934 г. 
Поликарпов самостоятельно подготовил альтернативный проект самолета воздушного боя и сумел заинтересовать им командующего ВВС РККА Якова Алксниса. Алкснис добился назначения Поликарпова главой группы конструкторов и получил задание спроектировать истребитель-биплан. Чуть позже эта машина получила обозначение И-15.
Примерно тогда же, в 1932 г., Поликарпов сделал первые наброски будущего истребителя-моноплана. В январе 1933 г. произошло разукрупнение ЦАГИ и ЦКБ. В реорганизованном ЦКБ Поликарпов получил пост начальника бригады №2. 2-я бригада специализировалась на истребителях. Начальник бригады лично отслеживал состояние дел с проектированием И-16.
Работы велись параллельно с проектированием биплана И-15. ВВС начали проявлять заинтересованность только с мая 1933 г.
Облик самолета – низкоплан с фюзеляжем монококовой конструкции, убираемым шасси и полностью закрытой кабиной летчика – начал вырисовываться летом 1933 г. Рассматривались два способа капотирования двигателя – использование кольца Тауненда и капота НАСА. Продувки в аэродинамических трубах показали некоторое преимущество последнего.
Конструкторы настаивал на использовании на истребителе мотора семейства Райт «Циклон». Первые серийные «Циклоны» начали выпускать в США в 1925 г., к 1933 г. двигатель был значительно усовершенствован и все еще имел большой запас для модернизации. В СССР широко применялись моторы Райт «Уирлуинд», которыми оснащались в частности самолеты АНТ-9. Пока велись дискуссии, Алкснис предложил поставить на перспективный истребитель двигатель М-22. Даже учитывая явно недостаточную мощность этого мотора, с ним прототип мог достигнуть скорости 300 км/ч на высоте 5000 м.
Полномасштабное проектирование ЦКБ-12 началось в июне 1933 г. К этому времени военные уже с нетерпением ожидали новый истребитель. Макетная комиссия по самолету прошла успешно. Расчеты показывали, что характеристики истребителя будут полностью отвечать заданным, а по максимальной скорости можно рассчитывать и на превышение. 22 ноября 1933 г. Совет труда и обороны принял решение о запуске самолета в серийное производство под обозначением И-16.
Между тем было принято решение о закупке в США двигателей Райт «Циклон F2» в маловысотном варианте. Второй прототип И-16 предстояло оснастить именно таким мотором и трехлопастным воздушным винтом фирмы Гамильтон Стандарт. Поскольку основной объем испытаний приходился на зимнее время, оба прототипа оснастили лыжным шасси. Из- за повышенного аэродинамического сопротивления такого шасси снять летные характеристики самолетов в полном объеме не представлялось возможным, зато летные испытания начались непосредственно после изготовления опытных машин.
Первый полет на прототипе с двигателем М-22 выполнил 30 декабря 1933 г. летчик-испытатель Государственного авиационного завода № 39 Валерий Чкалов. Второй прототип поднялся в воздух вскоре после Нового года. Чкалов нашел, что истребитель сложен в пилотировании, управлять им тяжело и непривычно. Летные испытания и доработки чередовались на протяжении всего января 1934 г. В феврали 1934 г. оба прототипа предъявили на 1-й этап Государственных испытаний. На самолете с двигателем М- 22 летал Владимир Коккинаки, на самолете с Райт «Циклоном» – Василий Степанчонок. Полеты проводились, не взирая на плохую погоду с низкой и плотной облачностью. В последних числах февраля оба опытных истребителя вернули на завод для исправления замечаний и подготовки к новому этапу летных испытаний, в частности предстояло сменить лыжи на колеса.
Первый прототип ЦКБ-12 в полете, весна 1934 г. 
Второй прототип ЦКБ-12бис с двигателем Райт «Циклон» F-3, февраль 1934 г. 
