ЦКБ-12П
ЦКБ-12П являлся вариантом развития И-16 тип 10, отличаясь от обычного, серийного И-16 тип 10 своим вооружением. В крыле самолета вместо двух пулеметов ШКАС, были установлены две 20 мм пушки ШВАК, с боезапасом по 150 снарядов на ствол. ЦКБ-12П оснащался импортным двигателем Wright Cyclone SGR-1820-F-3. Был построен только один опытный образец этого самолета. Имелась также модификация с четырьмя пушками ШВАК. ЦКБ-12П прошел испытания.
И-16ТК
И-16ТК был разработан на основе И-16 тип 10, чтобы улучшить высотные характеристики истребителя. На И-16ТК устанавливался двигатель М-25В, оборудованный двумя турбокомпрессорами ТК-1, разработанными в ЦИАМе. Для экономии веса, в крыле И- 16ТК не устанавливались пулеметы.
И-16ТК имел выхлопные патрубки на каждой стороне капота двигателя позади двухступенчатых турбокомпрессоров. Перед турбокомпрессорами ТК-1, на верхней части капота двигателя размещались два крупных дополнительных воздухозаборника. Позади выхлопов компрессора ТК-1 была установлена большая панель, изготовленная из жаропрочной стали. Самолет был оснащен воздушным винтом АВ-1 без кока, а стойки шасси были усилены, чтобы выдержать увеличившийся вес самолета.
Во время работы, оба турбокомпрессора включались одновременно. В ходе испытательного полета, И-16ТК достиг скорости 494 км/час, на высоте 8600 м, максимальный потолок составил 11000 м, что было значительно больше по сравнению с обычным И-16 тип 10, который имел максимальную скорость 448 км/час на высоте 3160 м и максимальный потолок 8260 м. Однако с появлением более мощных двигателей М-62 и М-63 программа И-16ТК была постепенно свернута. Построен только один И-16ТК.
И-16ТК был разработан на базе планера И-16 тип 10 и оснащен двумя турбокомпрессорами ТК-1, по одному с каждой стороны капота. При их установке пришлось удалить крыльевые пулеметы, чтобы снизить вес самолета.
И-16 тип 20
И-16 тип 20 был экспериментальным вариантом И-16 тип 10. построенным, чтобы проверить концепцию увеличения дальности истребителя при помощи установки дополнительных топливных баков. Этот экспериментальный вариант отличался от стандартного И-16 возможностью установки под крыльями двух обтекаемых 200 литровых топливных баков, которые увеличили максимальную дальность до 1200 км. Стандартные И-16 тип 10 не имели подобных «мокрых» точек подвески под крыльями. Истребитель И-16 тип 20 испытывался зимой 1937 года. Самолет был полностью окрашен в серебристый цвет, не имел вооружения и прицела.