苏联第一种悬臂式下单翼，可收放起落架的战斗机。原型机TsKB-12于1933年由波利卡波夫开始设计。初期，飞机装M-22发动机(Wright-CycloneSGR1820)。飞机试飞后，波利卡波夫认为M-22发动机功率偏小，决定换装M-25发动机(Wright-CycloneSGR1820F3)，即改型为TsKB-12bis型。在12bis接近设计完成时，苏共中央决定以I-16-4型的编号投入批量生产。由于M-25发动机的生产一直未能正常，所以前期的I-16-4有一些装美国的1820F3发动机或以M-22发动机临时代替。1934年2月18日由著名飞行员V.P.Chkalov进行试