В 1939 году уже мало кто сомневался в окончании эпохи И-16. Даже установка более мощных двигателей М-62 и М-63 не позволила серийному истребителю превзойти рубеж скорости в 500 км/час. Какое-то время считалось, что добиться более высоких характеристик можно с новым двигателем М-64, обладавшим взлетной мощностью 1200-1300 л.с. Конструкторы ожидали появление М-64 (был еще и М-65) вплоть до 1941 года, однако этот двигатель являющейся последней однорядной девятицилиндровой звездой так и не был доведен.

Николай Поликарпов пытался улучшить аэродинамику самолета, заменив полотняную обшивку крыльев фанерной. Летом 1939 года был испытан самолет 1721103, у которого верхняя часть крыла была обшита фанерой толщиной 2,5 мм, тогда же на госиспытании в НИИ ВВС был предъявлен И-16 тип 24 с фанерным покрытием крыла. Последний аппарат летал со скоростью 489 км/ч, что было несколько выше показателей других машин. Однако данный результат приписали двигателю М-63. И хотя деревянная обшивка была рекомендована для производства, в серийных образцах она своего применения не нашла.

Тип 24 являлся дальнейшей модификация типа 18, в соответствии с нормами прочности 1937 года. Основные внесенные изменения:

1. Установлен ВИШ АВ-1 и новый кок-обтекатель.
2. Мотор оборудован регулятором постоянства оборотов Р-2, дающим возможность пилоту держать нужное число оборотов.
3. Поставлена амортизационная стойка шасси с двузвенником, вместо ранее применявшегося шлицевого соединения. Одновременно увеличена эффективность амортизации, ход амортизатора увеличен до 96 мм по сравнению с 30-36 мм у предыдущего варианта.
4. Костыль на типе 24 обрел небольшое колесо и масляно-пневматическую амортизацию.
5. Введены посадочные щитки с механическим управлением. Рукоятка располагалась слева за сиденьем пилота.
6. Установлен второй откидной борт кабины пилота с правой стороны. Хотя откидной борт на правой стороне официально вводился на типе 24, встречалось подобное усовершенствование и на других типах.
7. Самолет оборудован системой ручного запуска от рукоятки стартера РИ. Ручка в походном положении, хранящаяся в кабине пилота, при запуске вставлялась справа в специальное отверстие фюзеляжа.
8. На правом борту фюзеляжа между шпангоутами 7 и 8 прорезан люк для рации.

В 1939 году были проведены летные исследования И-16, доказывающие, что дальнейшее совершенствование истребителя как типа нецелесообразно.

Одна такая работа касалась затягивания истребителей И-16 в пикирование. Происходило это в случае установки стабилизатора на положительные углы атаки. Несколько катастроф заставили провести исследование этого явления. Выяснилось, что И-16 чрезвычайно чуток к изменениям угла установки стабилизатора. В тоже время при нейтральном положении стабилизатора и задней центровке пилоты испытывали чрезвычайно большое давление на ручке. Тот факт, что раньше явление затягивания в пикирование не отмечалось, был связан с постепенным сдвиганием центровки самолета назад, от серии к серии, за счет установки аккумулятора, щитков, бронеспинки и радио. На некоторых машинах значение центровки уже достигало значений 35% САХ. Дополнительный пикирующий момент создавали неубираемые лыжи.

Проведенные в начале 1939 года испытания показали, что зона полной неустойчивости при пикировании начинается между 32-33% САХ при убранном шасси. Опасность явления была весьма велика, летчик-испытатель капитан Таборовский, занимающийся этими рискованными полетами погиб. Его машина 1021101 врезалась в землю при значении САХ 33,6% и угле установки стабилизатора +2. В результате, значение центровки для всех эксплуатируемых машин было ограничено 33%, а о неустойчивости И-16 в полете, наконец, было сказано как о недостатке. Мнение пилотов было единогласно ≈ машина обладает лучшими летными качествами с передней центровкой. В случае с И-16 все беды упирались в неудовлетворительную компоновку самолета, летчик, летающий на нем, приучался к неправильному пилотированию, о полете с брошенной ручкой не могло идти речи, а ведение прицельной стрельбы из неустойчивой машины являлось весьма непростым делом.

Еще одна работа, получившая название Определение усилий на ручке от руля высоты, элеронов и на педалях от руля направления И-16 была проведена летом 1939 года в ЦАГИ. Летчик-испытатель Станкевич, осуществивший эти летные исследования, в качестве выводов записал следующее: Вследствие неустойчивости самолета даже небольшие продольные усилия от себя, порядка 4-5 кг на установившихся режимах полета для летчика неприятны (утомляется рука). На фигурах возникают резкие перепады давления на ручку, неприятные для летчика. Открытые щитки ухудшают продольную устойчивость и увеличивают усилия от себя. При открытии щитков самолет кабрирует, при уборке резко проваливается и имеет тенденцию к пикированию. ...При переходе на большие углы атаки неустойчивость резко возрастает... При разбеге самолет долго не поднимает хвост, ручку приходится с большими усилиями отдавать от себя. ...При высоком выравнивании сваливается на правое крыло, эффект элеронов для парирования сваливания недостаточен. Невеселые эти выводы были верными, однако даже самые строгие придирки к старичку И-16 не смогли бы исправить положение.