В инструкции по эксплуатации указывалось: «С зажатым управлением самолет идет устойчиво по горизонту… Нагрузки на ручке и на ноге незначительные… Виражи и восьмерки выполняются на самолете просто и без усилий… На всех фигурах и эволюциях самолет отличается легкостью управления (незначительные нагрузки на рычаги управления) и простотой выполнения любого маневра, имея большой запас рулей».

Для организации серийного производства было создано специальное бюро внедрения во главе с И. М. Косткиным, прекрасным технологом. Первоначально И-5 выпускался на двух московских заводах № 1 и № 39. Для их серийного производства был выбран двигатель М-22 в 480 л.с. Несмотря на то что заказ на постройку И-5 был дан заводу № 1 еще в сентябре 1930 г., к концу года ни один истребитель не был сдан заказчику. В декабре 1930 г. руководство ВВС констатировало: «…Производство самолетов находится в зачаточном состоянии, и все прежние сроки давно прошли». Только спустя год истребители начали выходить из сборочного цеха ГАЗ № 1. Предпринималась попытка серийной постройки И-5 с мотором М-15 на Харьковском авиационном заводе и с М-22 на заводе № 22 в Филях. В итоге после тщательного анализа различных вариантов организации массового производства было решено строить И-5 на новом заводе № 21 в г. Горьком. Бюро внедрения провело тщательную подготовку производства, разработало полный комплект рабочих чертежей.

С учетом опыта эксплуатации уже выпущенных самолетов в конструкцию И-5 внесли некоторые изменения. В эталон 1932 г. ввели кольцо Тауненда, новый маслобак, новые патронные ящики, измененное шасси. Он строился на заводах № 1 и № 21.

Позже для уменьшения аэродинамического сопротивления Николай Николаевич оптимизировал форму кольца Тауненда. На истребителе установили поворотные стойки [для улучшения управляемости и выхода И-5 из штопора. — Прим. авт.], обтекатели на колесах, металлический винт, новый подогреватель карбюратора, новый бензиновый насос типа «Хорнет», были сделаны и другие улучшения. В результате максимальная скорость истребителя возросла до 286 км/ч у земли. Полетная масса самолета увеличилась до 1414,5 кг, скороподъемность несколько снизилась. Истребитель получил обозначение И-5 эталон 1933 г. Иногда он еще обозначался и как И-5бис. На машинах последних серий устанавливалось по четыре пулемета.

Предполагалось, что завод № 21 за 1932 г. сможет выпустить 276 И-5, однако к концу года, благодаря героическим усилиям коллектива, удалось построить только десять первых серийных экземпляров. Причина понятна: неосвоенное производство, низкая квалификация рабочих недавно открывшегося завода. Поэтому фактически сдача И-5 ВВС на ГАЗ № 21 началась только в 1933 г. (321 экз.), а в 1934 г. построили 330 истребителей. В том же году их производство было прекращено. Всего за указанные годы завод № 21 построил 662 машины.

В материалах НТК ВВС указывалось, что завод № 21 не выполнил требований по облегчению веса конструкции серийных И-5 бис. Перетяжеление достигало 17,7 к г.

Войсковые испытания пятерки И-5 проходили в 73-м отряде 5-й авиабригады в Киеве с 28 ноября 1930 г. по 24 января 1931 г. В отчете об их проведении отмечалось, что взлет и посадка просты, что самолет обладает хорошей маневренностью, управляемостью, устойчивостью, может использоваться с небольших площадок. Выявились и недостатки — не очень прочный пол кабины, загазованность ее выхлопными газами и др. Наиболее неприятной из них являлась неустойчивость пути при пробеге, приводившая к неуправляемому развороту и зачастую к поломке шасси. По предложению летчика и инженера из НИИ ВВС И. Ф. Петрова были изменены размеры подкоса и основной стойки, костыль сделали управляемым. Это позволило полностью устранить недостаток. Указанные доработки были немедленно внедрены в серийное производство (эталоны 1932 и 1933 гг.).

Интересно отметить, что, когда творческие пути Григоровича и Поликарпова разошлись, текущие материалы по эксплуатации самолета в части вооружения и оборудования кабины пересылались Дмитрию Павловичу, а в части конструкции фюзеляжа, планера, управления — Николаю Николаевичу. По-видимому, такое разделение соответствовало их вкладу в разработку конструкции истребителя.

1 мая 1931 г. в воздушном параде над Красной площадью пролетели на И-5, демонстрируя высший пилотаж, А. Б. Юмашев и А. Ф. Анисимов.

В руках опытных пилотов машина безупречно выполняла все фигуры высшего пилотажа. Великолепный летчик А. Ф. Анисимов часто пилотировал самолет на предельно малой высоте. Он погиб в августе 1934 г., выполняя подряд три петли с выходом у самой травы. Завершая последнюю, он увидел пересекающий ему путь разведчик Р-5. Уклониться от самолета на малой высоте летчику не удалось…

На И-5 летала первая в нашей стране пилотажная группа, организованная летчиком-испытателем В. Степанченком.

Государственные испытания истребитель проходил с 13 июля по 13 августа 1931 г. с положительной оценкой. По их результатам был сделан вывод о целесообразности принятия самолета на вооружение ВВС РККА. Практически эта рекомендация «задним числом» официально утверждала ранее принятые соответствующие решения.

Первые И-5 начали поступать на вооружение ВВС со второго квартала 1931 г. По состоянию на 1 октября 1931 г. в ВВС РККА насчитывалось 54 И-5, а на 1 января 1933 г. — 348. В 1936 г. их уже начали снимать с вооружения. В 1938 г. в ВВС Забайкальского военного округа имелось 6 машин, Киевского — 10, Закавказского — 3, Ленинградского — 8. В апреле 1940 г. в списках самолетного парка ВВС числилось 238 И-5, использовавшихся в летных школах. В ВВС ВМФ смена парка проходила более медленно. В 1935 г. в составе ВВС флота имелось 73 машины, годом позже — 152 (из них 41 на Черном море, остальные — на Тихом океане); в январе 1940 г. 31 машина находилось в частях флота и 20 — в училищах морской авиации.

И-5 был и за границей. В октябре 1935 г. перед лицом японской угрозы 21-я эскадрилья из двух отрядов перелетела в Монголию, в Тамсаг-Булак, где занималась патрулированием границы.

В 1934 г. на заводе № 21 А. А. Боровков и И. Ф. Флоров на базе И-5 создали двухместный учебно-тренировочный самолет УТИ-1. Кабину пилота сдвинули вперед и за ней на расстоянии 0,8 м установили другую. Летные характеристики из-за возросшего взлетного веса ухудшились, но были вполне приемлемы для тренировочной машины. Всего построили 20 экземпляров УТИ-1.

И-5 использовался для различных испытаний новой техники. На нем отрабатывались реактивные снаряды РС-82. В КБ Гроховского машину превратили в первый в СССР пикирующий бомбардировщик, подвесив под нижним крылом две 250-килограммовые бомбы. В том же КБ в 1936 г. проектировались для И-5 специальные контейнеры для перевозки десантников, подвешенные вдоль всего размаха нижнего крыла.

И-5 применялся и в системе «Звено» В. С. Вахмистрова. Сверху на крыле бомбардировщика ТБ-1 устанавливались два И-5 с возможностью отцепки в воздухе («Звено-1а»). Это позволяло существенно увеличить радиус действия истребителей. В дальнейшем система совершенствовалась. На ТБ-3 сверху размещались уже три истребителя — два на крыле и один на фюзеляже («Звено-2»). Последняя система с положительной оценкой в сентябре 1933 г. прошла государственные испытания. Наибольшее число истребителей нес другой вариант — «Звено-7» — сверху на крыле ТБ-3 два И-5, снизу — два И-16, в воздухе под фюзеляж подцеплялся И-Z.

Когда началась Великая Отечественная война, в боевых частях имелись считаные единицы И-5. Ввиду больших потерь пришлось использовать и эти устаревшие машины. В тяжелом 1941 г. были сформированы 604-й и 605-й авиационные полки, вооруженные оставшимися в летных школах истребителями И-5. В оборудованном за кабиной летчика небольшом отсеке подвешивались две бомбы по 25 к г. Самолет применялся в качестве легкого штурмовика в битве за Москву. Быково, Пушкино, Клин — таков боевой путь полков, сменивших И-5 на более современные машины в марте 1942 г. В сентябре 1941 г. в составе ВВС 51-й отдельной армии в Крыму был сформирован 2-й штурмовой полк на И-5. На этих самолетах он сражался до января 1942 г., когда его направили в Чапаевск для перевооружения на Ил-2. Там же, в Крыму, на И-5 воевал 11-й штурмовой полк ВВС Черноморского флота (командир — майор И. Ф. Рассудков).