日本法西斯於1937年7月正式發動侵華戰爭後，日本航空兵在中國上空進行肆無忌憚的空中入侵作戰。於是，前蘇聯向中國派出了志願航空飛行人員，協助中國進行空中抗日作戰。前蘇聯在華的飛行員使用的戰鬥機之一，就是伊-16戰鬥機。此外，前蘇聯還向中國方面提供了一些伊-16戰鬥機。伊一16戰鬥機，是前蘇聯著名飛機設計師波利卡爾波夫的傑作，然而，卻是在他身陷囫圇的時候構思出來的“夢想戰鬥機”。上世紀20年代後期，前蘇聯開始肅反。但由於政策的失誤，肅反出現了擴大化，波利卡爾波夫和他的設計組全被抓進了監獄。在監獄裡，他繼續心繫藍天，考慮研製新型戰鬥機。
1930年，前蘇聯決定，大力加強航空兵。因此，前蘇聯急需新型戰機和武器。在這種情況下，曾經設計了前蘇聯大部分小型飛機的波利卡爾波夫“枯木逢春”。1932年8月，波利卡爾波夫從監獄中被釋放出來。他開始研製伊一14A工程戰鬥機。很快，新型戰鬥機就研製出來了，它就是伊一15戰鬥機。然後，他開始研製另外一種戰鬥機，這就是他在監獄裡構思的“夢想戰鬥機”。根據在監獄的構想，“夢想戰鬥機”為單翼，機身大部分由木質材料構成，機翼由鋼管組成，薄的硬鋁和蒙布覆蓋機體，機尾由鋁管和帆布組成。這就是後來聞名於世的伊一16戰鬥機。當時，世界多數戰鬥機還是雙翼的，因此，波利卡爾波夫的設計具有世界性超前意識。
該型機生產時，為了保密，代號為TSKB-12。一般人對這個代號是很難猜出來的。然而，波利卡爾波夫心裡十分清楚它是什麼意思。原來，該型機的設計十分簡單，重量很輕，個兒也很小。前蘇聯為了充分利用廉價的勞動力，動用了監獄的犯人生產了該型機，TSKB-12是一個犯人小組的編號！
1933年12月31日，首架原型機進行了試飛。這架原型機由一臺編號為M一22的發動機驅動，發動機可以產生450馬力。前蘇聯發現，該型機存在許多問題，包括難以駕駛、穩定性差、橫滾和斤斗令人出奇的快。
雖然如此，前蘇聯航空專家認為，該型機還是比伊一15戰鬥機要好。因此，前蘇聯加緊了該型機性能的完善工作。1934年，前蘇聯兩家工廠開始建造該型機。
1936年，伊一16戰鬥機正式進入前蘇聯空軍服役，具體型號為伊一16第4型，起落架可以收放，成為前蘇聯第一種可以收放起落架的下單翼戰鬥機，也是世界上第一種可以收放起落架的下單翼戰鬥機。該型戰鬥機結構簡單，易於維護，便於組裝，很適合在戰爭環境中投入作戰。
隨後，第5型面世，配備了新型M一25發動機，可以產生700馬力。該型機成為伊-16生產最多的型號，先後交付了3000多架。
1936年7月18日，西班牙發生內戰、西方一些國家支持的反政府武裝向共和政府發動叛亂，西班牙革命武裝力量與反政府武裝展開了作戰。內戰迅速擴大，德國法西斯開始出兵作戰。為此，西班牙革命武裝緊急呼籲前蘇聯進行支援。前蘇聯不得不派出志願人員進行支援作戰，包括動用伊-16戰鬥機進行空中作戰。據統計，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型戰鬥機。伊一16戰鬥機投入空中作戰後，沉重打擊了反政府武裝使用的納粹He-51戰鬥機和Aa-68雙翼戰機。伊一16戰鬥機在西班牙揚眉吐氣，名聲大震。然而，希特勒不甘心西班牙反政府武裝的失敗，很快就向西班牙反政府武裝派去了極為先進的bf一109戰鬥機。只有兩挺機槍的伊-16戰鬥機很難與bf一109戰鬥機空戰。不久，伊一16戰鬥機不得不進行空中防禦作戰。
1937年7月，日本法西斯發動侵華戰爭後，中國面臨極為嚴峻的作戰環境，抗擊日本法西斯的航空兵極為虛弱。8月，前蘇聯緊急向中國方面提供6個旅的戰機，包括兩個旅的轟炸機和4個旅的戰鬥機。後來，前蘇聯又向中國送來了200架戰和伊一16戰鬥機等。其中，一些前蘇聯志願飛行員來華，駕駛伊-16等型戰鬥機，協助中國人民進行空中抗擊日本法西斯的作戰。
隨著戰雲在歐亞大陸密佈，一些國家加強了戰鬥機的研製和開發。於是，多種型號的戰鬥機開始問世。在這種情況下，伊~16戰鬥機逐漸進入了老化的行列，作戰性能逐漸被德國法西斯和日本法西斯新型戰鬥機超過。然而，該型機在服役的幾年裡依然是前蘇聯一線戰鬥機，大量部署一些邊境地區的空軍基地。1941年6月納粹襲擊前蘇聯前，該型機還是前蘇聯空軍部署最多的戰鬥機，佔前蘇聯戰機數量的一大半。
1941年6月22日，德國法西斯突然襲擊前蘇聯，該型機慘遭損失，數百架被擊毀在機場。還有人說，大約1000架被擊毀。此外，還有多架該型機在空戰中被德軍先進的bf一109等型戰鬥機擊落。由於前蘇聯新型戰鬥機設計速度很慢，該型機依然是前蘇聯空中抗擊法西斯的重要戰鬥機。該型戰鬥機的空中作戰一直堅持到1943年。
納粹發動閃電入侵後，迅速佔領大片領土，前蘇聯不得不進行衛國戰爭。在這種情況下，前蘇聯已經難以向中國方面再提供戰鬥機了，包括伊一16戰鬥機的供應也予以中斷。據統計，前蘇聯先後向中國方面提供了大約200架伊-16戰鬥機，也有人說是250架。其中，絕大多數是伊一16第10型戰鬥機。伊-16第10型戰鬥機，是從1937年開始生產的，翼展為9米，全長6米，高2.45米，空重只有1.2噸多，總重為1.7噸。發動機為新改進的M-25V，可以產生750馬力，最大時速為460公里，實用升限為9000米，作戰航程為800公里。與前面的型號相比，該型機增加了武器，主要是增加了兩挺機槍。空戰時，該型機可以使用4挺7.62毫米機槍。其中，機翼為兩挺，備彈900發；機頭為兩挺，備彈650發。該型機還可掛載200公斤炸彈對地攻擊，或者配備4到6枚RS-82火箭進行空中作戰。為了更好保護飛行員，該型機還在座椅上增加了防彈裝甲片，它就是8毫米的防彈板，可以阻擋12.7毫米子彈的襲擊。
1939年，伊一16第10型戰鬥機開始空中抗擊日本法西斯戰機，曾經擊敗了日軍Ki-27戰機，大戰日本法西斯的A5M戰鬥機。日本法西斯不甘心空中受到牽制，1940年開始使用更先進的A6M零式戰鬥機。零式戰鬥機的作戰性能高於伊-16第10型戰鬥機，包括武器和戰機性能等方面。伊一16戰鬥機損失開始增多，最後，不得不退出空戰行列。其中，一些該型機轉為空中聯絡機，還有一些在翼尖配備了相機，成為偵察機。
在前蘇聯衛國戰爭期間，該型機成為有名的空中撞擊機。一旦戰鬥機用完彈藥，飛行員就使用該型機撞擊法西斯戰機，將敵機撞落。在這種戰法中，伊-16戰鬥機飛行員經常撞擊德軍轟炸機尾部。戰鬥機撞擊前，飛行員設法跳傘逃生。當然，一些飛行員也獻出了自己寶貴的生命。
該型機在使用的時候，有許多外號。其中，前蘇聯有人把它叫做“底”和“小驢子”。在西班牙，有人把它叫做“小蒼蠅”。在中國，有人把它叫做“小耗子”。在日本，有人把它叫做“牛虹”。
前蘇聯對該型機進行了多次改進，擁有多種型號，包括第17、27和28型等，改進項目包括髮動機和武器等。納粹入侵前蘇聯前，一些型號配備了威力更大的20毫米機炮，然而，由於機炮供應短缺，只有少量機型配備機炮。雖然如此，該型機成為前蘇聯前線航空兵中極有成力的
在二戰中，少量該型機曾祕密配備了極為先進的火箭，成為世界上為數極少的火箭戰鬥機。二戰期間，世界上只有德國，美國和前蘇聯等少數國家的戰鬥機配備了火箭。二戰期間，前蘇聯先後生產了7000多架該型機，該型機成為前蘇聯有名的王牌戰鬥機。其中，第24型機生產了934架，第29型機生產了650架。然而，該型機能夠倖存下來的很少。