从第一次世界大战结束到第二次世界大战爆发的“二十年休战”期间，航空工业的发展进入了一个新阶段。
大战结束后，“战争需求”这一航空工业发展的巨大推动力消失了，但是飞机在战争时期的发挥的巨大作用使人们看到了航空工业的巨大潜力。飞机设计师和私人航空公司不顾官方的条条框框，在探索中不断创新，并将其想象付诸实践。在这二十年间，先后问世的航空新技术就有硬壳式轻型合金结构、悬臂单翼、收放式起落架、密封座舱、动力传动炮塔、襟翼、可变距螺旋桨、发动机增压器，以及包括自动驾驶仪在内的一系列供飞行和导航的设备等。
作为世界上第一个新制度政权，苏俄从诞生那天起就处于敌对势力的包围中，国内战争中各帝国主义纷纷入侵的历史是惨痛的。因此它有着一种天生的不安全感。所以从立国那天起，这个政权就定下了优先发展重工业，尤其是军事工业的基调。

德米特里·巴甫洛维奇·格里戈罗维奇

尼古拉·尼古拉耶维奇·波利卡尔波夫

波利卡尔波夫的杰作伊-15战斗机
虽然伊-15在当时来说也无独特之处，但是相对早前苏联自行研制的战斗机如伊-3或伊-5仅寥寥数百架，而且品质参差可靠性存疑在航空史上被羞于谈及的，本机也对外界体现了苏联成为航空大国的技术和生产能力。

一次试飞中，TsKB-12bis降落时由于起落架故障而导致飞机损毁。因此，又为起落架装上了舱门，以便让它在飞行中可以完全收在机翼里。此外，还安装了一个新设计的非常简洁实用的操纵杆，并且在驾驶员椅背上加装了8毫米的装甲（这是苏联第一个在椅背上安装装甲的机型）。同时长期等待的712hp的美国怀特-旋风SGR-1820-F-3发动机到达了，设计组马上决定使用这种发动机作为TsKB-12bis的动力。由于使用新的发动机，发动机整流罩也重新设计成一个头大脚小的圆锥形，在它的顶部开有9个冷却进气口，沿壁侧各有8个排气口槽，7个单独的排气口，整流罩左舷上方的排气口槽为一对并排的排气孔。为了增强机翼的刚性，在机翼的覆盖物上增加了金属的成分以使机翼能发挥更好的性能。新设计采用了汉密尔顿的双叶片标准螺旋桨。安装在飞机上的滑动式座舱罩在当时还属于新鲜事物，不过飞行员普遍不是很欢迎这种设计，他们更习惯打开仓罩飞行，因为他们认为这种座舱罩有碍视野（由于用于座舱罩上的玻璃透光性不好），并且害怕在紧急情况发生时容易使驾驶员陷入困境。

安装有RSI-3无线电发报机的伊-16-5型
1934年9月，改型后的TsKB-12bis被重新送回研究所，接受国家验收。改型后的TsKB-12bis不但解决了上述问题，而且时速可以达到437公里/小时，爬升速度也达到了2646英尺/分钟。因此，人民航空工业部授权优先生产伊-16-5型战斗机。但发动机频频出现的问题又让飞机的批量生产推迟了近一年。
1935年7月开始生产的伊-16-5型全部装备了M25发动机，安装了更加先进的ShKAS7.62毫米机枪（射速为1800发/分钟）以替换PV-1机枪，并可以挂载200公斤炸弹。尽管伊-16-5型在飞行速度和爬升方面有优势，但它对飞行员的操作灵敏性要求很高，而纵向稳定性却不太好，飞机在滑翔时接近失速状态，爬升或翻转时，发动机还会发生剧烈震动。
部分伊-16-5型安装了短波RSI-3无线电接收装置，其特征是位于垂直尾翼顶端的小型天线。RSI-3带有接收器和发射装置。通常来说，一个飞行编队只有队长的座机同时装有接收和发射装置，其余的只装其中一种。
直到1937年末被淘汰之前，伊-16-5型共生产了2200多架。

UTI-4双坐教练机
1937年，基于伊-16-5型设计了UTI-4双坐教练机，它先后使用过M-25、M-25A和M-25V型号的发动机，有一部分UTI-4的起落架被改成了固定式的。在卫国战争早期双坐的UTI-4也被用于执行侦察任务，尽管在1944年伊-16已经基本退役，但是UTI-4却仍然作为教练机一直使用

1936年7月，西班牙爆发内战，以苏联为首的国际纵队携带着大量武器，参与到这场国际势力的角逐中，其中就包括伊-16战斗机。因为这种飞机速度极快，西班牙人给它起了个绰号——“苍蝇”。1936年10月末，第一批伊-16-5型战斗机运抵卡塔纳赫港，用于组建西班牙共和国“苍蝇1号”和“苍蝇2号”两支战斗机分队。
共和军共组建了苏联陆续向共和军提供了大约500架左右的伊-16-5型。在1935至1937年间，伊-16-5型是世界上飞的最快的战斗机，但是作战初期，在和比它慢的多但机动性和操纵性都不错的意大利菲亚特CR.32双翼战斗机交手中屡屡失利。

西班牙内战期间被叛军俘获的伊-16

在西班牙作战的经验表明，伊-16-5型和伊-16-6型的两挺7.62毫米机枪火力已经明显不足以应付当时的空战，而此时西班牙内战正酣空军迫切需要对伊-16的火力进行必要的加强。1937年12月25日，苏联国防人民委员克列缅特·叶菲莫维奇·伏罗希洛夫元帅（Климент Ефремович Ворошилов）（图14）给GAZ-21飞机制造厂主任米罗什尼科夫去信，敦促要求尽快开发新的伊-16改进型以替换目前伊-16-6型的生产。米罗什尼科夫答复在一年之内可以转化生产，伏罗希洛夫回复要求最终期限为——两天！显然这个命令起了作用，很快在1938年新年前夕就完成了设计编号为10型并马上投入生产。1938年1月11日试飞，3月即运送到西班牙战场上投入战斗
伊-16-10型增加两挺ShKAS机枪安装在机鼻上，明显凸起的机枪整流罩成为在外观上与以往伊-16的最大区别。此时马力更强的M-25V发动机已经可以投入使用并马上装备在伊-16-10型上，但一些早期生产的伊-16-10型仍然使用M25-A发动机。由于M25-V动力增加了近140马力同时重量也增加了24公斤，所以在使用新发动机的发动机整流罩“下颚”上增加了一个T型的进气口，排气口形状也变的更圆了。在座椅的靠头部位上又加装了8毫米装甲板，可以抵御12.7毫米口径武器的射击。部分10型为了在冬季使用安装了雪橇。由于使用了可回收式雪橇，所以并没有影响到它的机动性能。
在西班牙，还有一种安装走私引进的美国莱特-飓风SGR-1820-F-54发动机的伊-16-10型，作为战斗机一直使用到1943年。部分10型与18、24、28型一起改为联络机或高速侦察机（在右翼尖加装照相机），一直使用到1944年。

但随着日寇的飞机数量和质量不断增加，伊-16逐渐落后于敌方。
1940年10月4日，日军27架轰炸机由8架零战一一型护航，空袭成都。中方出动伊-16拦截，其中5架被击落，其余19架在地面被击伤。10月7日，日军又出动由7架零战护航的27架轰炸机空袭昆明，击落中国空军13架伊-16。
从1940年8月19日至1940年末，日军共出动零战153架次，在自身未受损失的情况下击落中方59架飞机。至1941年6月，中国空军仅剩89架残破的伊-15和伊-16战斗机。

早在1937年，苏联就意识到了战争的迫近，因而向飞机制造厂的设计师们提出了一项要求，即开发兼具远程轰炸机的航程和小型轰炸机的使用灵活性的打击武器。于是设计师们就想到了挂载，只不过这次挂载的不是炸弹或火箭，而是战斗机！在4发的图波列夫TB-3重型轰炸机的两翼下挂载2架SPB（高速俯冲轰炸机）。
SPB其实就是伊-16战斗机的变型。中央设计局对伊-16进行了改装，以7.62毫米ShKAS机枪替换安装在机翼内的20毫米机炮，从而减轻了重量，在两翼下各安装一个炸弹架，挂载250公斤炸弹；还在机上增加了俯冲减速板。改造后的飞机正式命名为TsKB-29。
这种组合将TB-3的航程和伊-16的速度巧妙地结合起来。在飞行阶段，伊-16从TB-3的油箱中获得燃料，双方在敌军防空火力圈以外分离，TB-3立刻返航，而以-16依靠自身燃料进行突袭，投弹后尽量不与敌机纠缠而迅速逃逸。经过一系列飞行/投弹试验后，SPB正式投产并装备部队由于这个组合完全立足于现有装备，所谓的“投产”就是在前线将12架伊-16和6架TB-3按照试验机的样式组合而已。

1941年8月1日夜间，苏军首次对罗马尼亚海港康斯通尼加的岸上设施实施轰炸。2架TsKB-29在黑海上空4000米处脱离母机，投弹后顺利返航，但并没有给敌军造成什么重大损失。次日，又有3架TsKB-29实施第二次夜间轰炸，这次攻击目标为停泊在港口内的德军军舰。不幸的是，由于当夜能见度很高，投弹后即被德军巡逻的Bf-109F战斗机发现并追击，2架SPB被击落。
8月3日，苏军又组织了第三次攻击，轰炸康斯通尼加的炼油厂，依然采用夜间出击。这次行动极为顺利，虽然4架SPB全部受损，但都击中了输油管线并顺利返航。
后来，TsKB-29还对罗马尼亚的一些港口、炼油厂和德军集结地进行了攻击，但由于敌方的防空火力显著增强，危险性越来越大，这种组合逐渐销声匿迹了。

1939年的伊-16-27型作为攻击机替换了17型的生产，27型的武装基本与17型相同，只不过换装了M-62发动机，并对机体结构进行了加强
1940年，由于12.7毫米 UB重机枪的应用，促成了伊-16的最终改型——伊-16-29型。作为伊-16战斗机家族的最后一名成员，29型生产到了1941年（所有的伊-16自1934到1941年总共生产了9450架）。29型主要改进为一挺12.7毫米UB重机枪被安装在了整流罩的下方，这使原来的T型进气口被移动到了整流罩右舷的旁边。大多数都在脊背上安装了无线电，一些在右舷翼尖下携带了侦察照相机。挂载武器包括多种类型炸弹和4-6枚RS-82火箭。

在西班牙和哈拉哈河作战时，苏联空军头号王牌谢尔盖.格里采韦用伊-16击落敌机约42架，被认为的苏军最成功的飞行员，两次苏联英雄的称号让他的名字闻名全国。
1939年5月日本军国主义者入侵外蒙 ，哈拉哈河战役爆发，谢尔盖.格里采韦茨作为最有经验的飞行员，在与日本作战期间再次展现他的天才能力。
1939年8月22日至30日一星期内，谢尔盖完成率138次战斗出动，击落12架日本战机。
其中最经典的就是谢尔盖从诺门坎战场上解救被日军击落的第70歼击团团长zabaluyeva，此人就在跳伞日军阵地前不远，而谢尔盖居然就把飞机降落在那里，把指挥员塞进驾驶座后再次起飞，而日本人只能眼睁睁看着的战机绝尘而去，飞往70公里外的苏军控制区。 因在哈拉哈地区河对日本侵略者作战(参见哈拉哈河战役)中抢救1名指挥员和英勇作战，谢尔盖.格里采韦荣获第二枚“金星”奖章。
1939年9月16日，谢尔盖因飞行事故中意外身亡：他的战机与僚机发生碰撞。之前他获列宁勋章1枚，外蒙战斗红旗勋章1枚，明斯克市和巴尔巴索沃镇立有他的半身铜像。他飞机失事的地方立有纪念碑。