I-16 type 5 est la deuxième modification en série du chasseur conçu par N.N. Polikarpova. Un moteur M-25 plus puissant a été installé dans un capot modifié avec une aérodynamique améliorée, ce qui a augmenté la vitesse à 450 km/h, faisant du I-16 l'avion de production le plus rapide de son époque. Lors de la production de masse entre 1935 et 1938, plus de 2 200 exemplaires furent construits. Compte tenu de l'expérience de combat et opérationnelle, le I-16 type 5 a été modernisé au cours de la production en introduisant une aile renforcée, des roues plus grandes et un refroidisseur d'huile. En raison de problèmes liés à la cabine fermée, une cabine ouverte a été introduite.
Les I-16 de type 5 ont été largement utilisés pendant la guerre civile espagnole de 1936-39, lors de la guerre sino-japonaise de 1937-45 et lors du conflit du Lac. Khasan en 1938, dans le conflit de Khalkhin Gol en 1939 et dans la guerre soviéto-finlandaise de 1939-40. Les I-16 type 5 participèrent à la Grande Guerre Patriotique jusqu'en 1943, principalement comme avion d'attaque léger, pour lequel leur armement était renforcé par quatre à six installations de projectiles de fusée non guidés de 82 mm.