伊-16宣传画，下方文字为“社会主义国家的强大空军万岁！”
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。
