В начале 1934 года, в ходе заводских испытаний, капот двигателя на ЦКБ-12 был изменен, чтобы преодолеть проблемы, связанные с перегреванием мотора. Новый капот стал больше сужаться назад, а его сечение в передней части было увеличено, обтекатели цилиндров двигателя демонтировали. Кроме того, в верхней части передней кромки капота появились два маленьких, круглых воздухозаборника.

Опытный ЦКБ-12бис, оснащенный двигателем Wright Cyclone SGR-1820-F-2 (вместо планировавшегося для него двигателя Wright Cyclone SGR-1820-F-3, который не был поставлен вовремя), совершил свой первый полет в январе 1934 года. Внешне ЦКБ-12бис отличался от ЦКБ-12, прежде всего большим капотом. Заводские испытания обоих опытных машин проводил В.Ф.Чкалов.

Несмотря на разнообразные недостатки, обнаруженные во время испытаний, которые так и не удалось полностью исправить, опытные ЦКБ-12 и ЦКБ-12бис были переданы в Научно-исследовательский институт ВВС (НИИ ВВС) для Государственных испытаний. С 16 по 27 февраля 1934 года, в соответствии с программой испытаний, полеты на опытных машинах проводили летчики-испытатели В.К.Коккинаки (ЦКБ-12) и В.А.Степанчонок (ЦКБ-12бис).

Из-за зимнего периода, испытательную программу пришлось проводить с лыжами, установленными на основных стойках шасси вместо колес. Но даже с дополнительным аэродинамическим сопротивлением от лыж, характеристики нового истребителя выглядели внушительно. ЦКБ-12 достиг скорости 306 км/час на уровне моря, а ЦКБ-12бис показал еще более высокий результат – 351 км/час. Оба легчика-испытателя отмечали высокую четкость управления самолетом и его высокую маневренность -ЦКБ-12 совершал полный разворот (на 360 0) всего за 15,5 секунд. С другой стороны, самолет был очень неустойчив на высоких скоростях, что делало его управление очень трудным. Оба летчика-испытателя указали, что новым истребителем могут управлять только пилоты высокой квалификации.

Тем временем, ВВС РККА, несмотря на выявленные недостатки, проявили большую заинтересованность в ЦКБ-12.

После окончания испытаний, оба опытных образца были возвращены на завод, для устранения замечаний. Их список был обширен, и включал перегрев двигателя, плохую управляемость на высоких скоростях, ненадежное крепление вооружения в крыле и т.д. ОКБ Поликарпова приступило к работе по решению этих проблем, в результате конструкция самолета была усовершенствована.

ЦКБ-12

ЦКБ-12бис

И-16 тип 4

И-16 тип 5

И-16 тип 6

И-16 тип 10

И-16 тип 17

И-16 тип 24

И-16 тип 27

И-16 тип 29

Шеренги истребителей И-16 тип 24 и пушечных И-16 тип 27. Все самолеты несут защитную двухцветную камуфляжную окраску.

И-16 тип 4 пи авиазаводе №39, 1934 год. И-16 тип 4 отличался от опытного ЦКБ-12 увеличенным, сужавшимся к хвосту капотом двигателя и щитками, прикрывающими ниши шасси.

ЦКБ-12

И-16 тип 4

В апреле 1934 года, были возобновлены Государственные испытания. Так как снежный покров уже сошел, то посадочные лыжи на стойках шасси были заменены колесами. А ввиду того, что все полеты выполнялись с фонарем кабины установленном в открытом положении, посадочная дверца на левом борту фюзеляжа была ликвидирована. Часть испытательной программы, самолет прошел и без прицела ОП-1, но позже он снова был установлен, для выполнения программы испытания вооружения.

Испытательные полеты обоих опытных образцов очень быстро показали, что значительное число недостатков самолета так и не было ликвидировано, в том числе ненадежная работа ручного механизма уборки и выпуска шасси. В ходе проверок на земле механизм уборки шасси, работал нормально, но в воздухе это устройство часто давало отказы. Иногда, стойки шасси удавалось вы пустить только благодаря энергичным маневрам самолета с высокими перегрузками.

Неустойчивость самолета во время набора высоты и разворотов требовала от пилота большого внимания, а жесткое крепление двигателя вызывало сильные вибрации и вело к его быстрой утомляемости. Для приведения в действие лебедки уборки шасси требовались большие усилия, в результате было очень затруднительно одной рукой крутить рукоятку механизма выпуска шасси, а другую держать на ручке управления самолетом. Стойки шасси также имели тенденцию застревать в частично убранном положении.

Именно из-за неисправности шасси ЦКБ-12бис в ходе Государственных испытаний потерпел аварию. И даже после того, как механизм уборки шасси был перепроектирован, он все еще работал не совсем надежно. У ЦКБ-12 имелось и множество иных проблем, типа повреждений полотняной обшивки крыла, особенно на центроплане. Все это было отмечено в отчете по результатам испытаний, в соответствии с которым, как ЦКБ-12, так и ЦКБ-12бис были признаны не готовыми к производству. ЦКБ- 12 вернули на завод для доработки.

В сентябре 1934 года, ЦКБ-12 и восстановленный после аварии ЦКБ-12бис, который получил новый двигатель Wright Cyclone SGR-1820-F-3, были в третий раз переданы в НИИ ВВС для проведения очередного цикла испытаний. В ходе модернизации в конструкцию прототипов было внесено множество усовершенствований. Полотняную обшивку центроплана и передней кромки крыла заменили металлической, это позволило ему сохранять соответствующий профиль в широком диапазоне нагрузок и скоростей. А на ЦКБ-12бис трехлопастной воздушный винт Hamilton-Standard, заменили двухлопастным.

Во время этой программы испытаний, ЦКБ-12 достиг скорости 325 км/час (на высоте 5000 м), потолка в 7180 метров и продемонстрировал скороподъемность 532 метра в минуту. Эти характеристики были существенно ниже, чем аналогичные данные ЦКБ-12бис с двигателем Wright Cyclone, который показал максимальную скорость 413 км/час (на высоте 5000 м), потолок 8800 метров и скороподъемность 806 метров в минуту.

В конце концов, оба опытных образца, выдержали испытания, и Наркомат авиационной промышленности начал подготовку к производству самолета ЦКБ-12 с двигателем М- 22, получившем обозначение И-16 Тип 4.

И-16 шин 4 на стапеле в ходе окончательной сборки на Горьковском авиазаводе №21, осень 1935 года. Этот самолет еще не имеет двух пулеметок калибра 7,62 мм, которые устанавливались в крыле.