7 мая 1937 года прибыла вторая партия И-16 в количестве 31 машины, а 21 мая еще 17 истребителей и четыре УТИ-4. Одновременно с новой партией машин прибыла очередная группа советских летчиков, в основном из 142-ой авиабригады, базирующейся в Бобруйске, и шестьдесят молодых испанских парней, освоивших технику пилотирования И-16 в советской летной школе в Кировабаде. Обе партии, состоявшие из боевых машин типа 5, были собраны и отправлены в летные части. Скоро произошел ряд загадочных катастроф - погибло несколько советских и испанских летчиков. При тщательном расследовании выяснилось, что эти самолеты обладают недостаточной прочностью крыльев. При энергичном пилотировании концевая часть крыла в районе подвески элерона разрушалась и самолет становился неуправляемым. Так как в этот период в Советском Союзе велись судебные процессы над политическими противниками Сталина, которые обвинялись во вредительстве, вредительством же была объявлена небоеспособность партии самолетов. В результате, 150 крыльев И-16 подверглись усилению конструкции и смене обшивки. Подвергались этой операции, в том числе, и 14 машин, прибывших 1-го июля. В прибывшей 10 августа 1937 года новой партии, состоящей из 62 И-16, усиления уже были внесены. Вообще, эксплуатация И-16 в Испании выявила целый ряд определенных недостатков самолета. Колеса (750х100) оказались слишком узкими для испанских аэродромов - взлетать часто приходилось с обычных каменистых виноградников. При этом мелкие камни пробивали полотно низко расположенного горизонтального оперения. Колеса, впоследствии, стали ставить более толстые (750х150), а нижнюю поверхность стабилизатора и руля высоты обшивать двойным слоем авиаполотна. Хуже оказалось с подвижным фонарем летчика, который мало того, что забрызгивало маслом, он и работал недостаточно надежно. Частенько фонарь самопроизвольно на большой скорости задвигался, поэтому скоро пилоты стали закреплять его постоянно в открытом положении, что хотя и ухудшало аэродинамику, однако добавляло уверенности в бою. Задняя центровка машины неожиданно сделала И-16 прямо-таки вездеходом - он не переворачивался даже при посадке на пашне.

Особым вопросом стало исследование живучести самолета. Во время боевых действий в Валенсии, в период с 9 марта по 8 апреля 1937 года были проведены целые исследования по этому вопросу. Вражеские пули пробивали только введенные бронеспинки (были это очевидно пули крупнокалиберных пулеметов итальянских C.R.32), протектирование бензобаков оказалось недостаточно эффективным и не всегда защищало от загорания.

Моторы М-25 засасывали во время руления по земле много пыли и быстро выходили из строя. Первоначально эти двигатели воздушного охлаждения эксплуатировались без маслорадиаторов - Испания показала необходимость установки последних. Жара была - это да, но и воевали пилоты отменно - летали на максимальных скоростях и двигатели при этом эксплуатировались на перефорсированных режимах. Мог разве кто в мирных условиях предположить, что в бою придется пикировать с высоты 3-4 километров практически до земли, а потом вновь карабкаться до самого неба ни на миллиметр не сдвигая на себя рычаг газа.

В целом И-16 показал себя неплохо. Высокая выносливость планера, простота устранения боевых и эксплуатационных повреждений привели к тому, что отдельные машины проходили по 4-5 капитальных ремонтов и налетывали по 350-400 часов. Из строя, как оказалось, в месяц выходило 34,5% самолетов, срок жизни одной машины составлял 87 дней. В ремонт при этом уходило 16,25%, полные потери составляли 18%. Совершенно особо отмечался тот факт, что в условиях сухого испанского климата дерево в конструкции самолета не было подвержено загниванию (в отличие от российских условий) и находилось в отличном состоянии.

Одним из основных недостатков И-16 была признана все-таки его недостаточная огневая мощь. Основной противник Моски - итальянский истребитель Фиат C.R.32, как уже отмечалось выше, быстро доказал высокую эффективность своего бортового оружия. И это при явно худших летных характеристиках.

В начале февраля 1937 г. Герой Советского Союза С.А.Черных докладывал начальнику ВВС Алкснису, что некоторые летчики считали необходимым установить на И-16 неподвижный козырек, сделав, таким образом, кабину открытой. Завод No.21 охотно воспринял предложение об установке неподвижного козырька, так как это упрощало производство. Доработку выполнили на одном экземпляре И-16 тип 5. Летчики, облетавшие самолет, положительно встретили новшество, указав, что данный козырек для боевых условий лучше, чем фонарь. Небольшая серия И-16 с неподвижным козырьком под обозначением "тип 6" проходила боевую проверку в Испании, и после положительных заключений неподвижный козырек внедрили на всех серийных модификациях И-16. Это, несомненно, являлось шагом назад в техническом развитии самолета. "