В конце 1937 года с заводского аэродрома в Нижнем Новгороде начал летать штурмовой вариант, разработанный конструктором Боровковым. Этот самолет, получивший обозначение тип 9 (№ 9211), совершил первый полет 27-го декабря 1937 года, затем прошел заводские испытания, однако путевки в большую жизнь не получил. Основной «изюминкой» машины являлась шестипулеметная батарея пулеметов ШКАС, управляемая в полете. Пулеметы размещались в центроплане, в районе сочленения с отъемной частью крыла и могли поворачиваться вниз в вертикальной плоскости на угол 9°. Шасси при этом не убирались и были закапотированы в своеобразные обтекатели — «штаны». Эти обтекатели улучшили путевую устойчивость самолета, что явилось даже некоторой неожиданностью для летчиков и конструкторов. Так как неубираемое шасси освободило подфюзеляжное пространство, то там были размещены держатели для шести двадцатипятикилограмовых бомб. В серию машина не пошла.
   Тот факт, что И-16 изначально был оснащен гордостью русских оружейников — сверхскорострельными пулеметами ШКАС вовсе не означал, что оружейники на этом достижении (1800 выстрелов в минуту) успокоятся. В мае 1937 года, авторами пулемета Шпитальным и Комарицким был закончен более совершенный образец — пулемет Ультра ШКАС со скорострельностью 2400 выстрелов в минуту. Однако, прежде чем начались полигонные стрельбы Ультра ШКАС, еще двое изобретателей предложили свой образец оружия. Пулемет «СН», обладающий скорострельностью 2800-3000 выстрелов в минуту конструкторы Савин и Норов изготовили в 1935 году. В 1936 году пулемет «СН» успешно прошел испытания, а в 1937 году Комитет Обороны санкционировал его серийное изготовление. «СН» немедленно установили на И-16, более того, установка пулемета привела к появлению нового типа, обозначенного как тип 19. Изменения на новом типе были незначительные, внешне он выглядел как тип 10, «СН» устанавливались взамен крыльевых ШКАС с прежним боезапасом, верхние, синхронные пулеметы остались прежние. Вначале 1939 года завод №21 изготовил три таких машины: №19211, №19213 и №19212. С 15 по 26 марта их испытания провел шеф-пилот заводской летно-испытательной станции полковник Сузи. По результатам испытаний было предложено часть самолетов И-16 выпускать с этим вооружением, однако количество таких машин неизвестно. Под обозначение И-16 «СН» истребители поступили в войска. Весной 1939 года был принят на вооружение ВВС и пулемет Ультра ШКАС. Некоторое количество И-16, вооруженных крыльевыми пулеметами «СН» и Ультра ШКАС поступили в войска и участвовали в «зимней» войне с Финляндией зимой 1939-1940 года.
   Продолжалась установка на истребитель и крупнокалиберных артиллерийских систем. Этой работой в 1938-1939 годах занимался непосредственно Николай Поликарпов, размещавшийся в тот период с основным составом своего КБ на территории Московского авиазавода №156. Основной целью данной работы являлось отработка синхронных пушек и пулеметов, установленных в фюзеляже. При получении положительных результатов, И-16 с таким вооружением, за счет сосредоточения нагрузки в центре масс, становился более маневренным по сравнению с базовым вариантом. Одновременно увеличивалась точность стрельбы.