Самолет И-16ТК оснащался воздушным винтом АВ-1, который можно отличить по двум весовым балансирам на его оси. В носовой части капота были установлены два больших заборника для снабжения воздухом турбокомпрессоров. Индивидуальные выхлопные патрубки были заменены внутренним кольцевым коллектором и одним крупным выхлопным патрубком.

И-16 тип 20 был экспериментальным вариантом истребителя И-16 тип 10, оснащенный двумя 200 л подкрыльевыми топливными баками. Эти баки обеспечивали истребителю дальность около 1200 км.

Первые воздушные бои, проведенные И-16 тип 10, показали, что имеются проблемы с синхронизацией пулеметов ШКАС, установленных в фюзеляже. В результате, на многие И-16 тип 10 были установлены старые проверенные пулеметы ПВ-1 (калибра 7,62 мм), которые имели более низкую скорострельность чем ШКАСы. Эти пулеметы снимались со старых истребителей-бипланов И-15.

Следующая партия – шестьдесят два истребителя И-16 тип 10 прибыла в Испанию 10 августа 1938 года, на борту судна «Cabo San Agustin». Это были серийные машины И-16 тип 10 с улучшенным двигателем М-25В. После сборки, эти «Супер Моска» были переданы в За Escuadrilla Moscas, 6а Escuadrilla Moscas и 7а Escuadrilla. К этому времени общее количество И-16 тип 10 поставленных из Советского Союза для Fuerza Aereas Republicanas достигло девяноста трех штук.

В августе 1938 года, 4а Escuadrilla Moscas, которой командовал Антонио Ариас (Antonio Arias), была заново перевооружена двенадцатью И-16 тип 10, оснащенных американскими двигателями Wright-Cyclone SGR-1820-F-54 с нагнетателем, ввезенным в страну контрабандой из Соединенных Штатов. Эти двигатели позволяли истребителям эффективно работать на высотах до 8000 метров. В общей сложности, в Испанию было доставлено 24 двигателя Wright- Cyclone SGR-1820-F-54, но только двенадцать было установлено на «Супер Моска», остальные держались в резерве. Такие истребители оборудовались кислородной системой дыхания на большой высоте (кислородными баллонами и кислородной маской для пилота). Эта кислородная система была местного производства. Испытательные полеты показали, что при температуре – 400 С, механизм пулеметов ШКАС замерзал. Главный инженер 4а Escuadrilla Moscas – Лопес (J.A. Lopez) решил эту проблему, пропуская фильтрованный, осушенный воздух через отсеки вооружения. Когда эта эскадрилья в декабре 1938 года была расформирована, И-16 тип 10, оборудованные двигателями Wright-Cyclone, были распределены среди других эскадрилий.

И-16 тип 10 песет пи фюзеляже эмблему «Школы истребителей» в Морон. Такие опознавательные знаки использовались между 1940 и 1941 годами. Это один из «Супер Моска», захваченных в конце гражданской войны в Испании и принятый на вооружение Ejercito del Aire (Испанские ВВС).

Итальянский доброволец из Aviazione Legion aria позирует перед захваченным истребителем И-16 тип 10. Самолет на заднем плане – бомбардировщик SM-79.

Летом и осенью 1938 года потери республиканской авиации оказались очень высоки. В течение августа, восемь И-16 были потеряны в боях и еще три в авариях. В сентябре, боевые потери составили семнадцать «Моска» и «Супер Моска», два истребителя потеряны в авариях и один И-16 был захвачен националистами.

По крайней мере, один из захваченных И-16 был отправлен в Германию для испытаний. После того как самолет по прибытию на место был заново собран, 20 сентября 1938 года началась программа испытательных полетов. Большинство из них было выполнено летчиком-испытателем Генрихом Боваисом (Heinrich Beauvais) из отдела Е2 Испытательного центра Luftwaffe. Отдел Е2 занимался общей оценкой опытных образцов и серийных самолетов для Luftwaffe, а также оценкой трофейных самолетов. Центром командовал Oberstabsingenieur (главный инженер) Гарри Боттчер (Harry Bottcher).

К началу ноября 1938 года в эскадрильях Fuerza Aereas Rcpublicanas оставалось только пятьдесят три исправных И- 16. К концу ноября, последние советские военные летчики возвратились домой. В январе 1939 года, число пригодных к эксплуатации истребителей уменьшилось до тридцати четырех. К началу февраля их осталось не более двадцати. 3 февраля вышел приказ предписывающий уничтожить все несправные самолеты. Двумя днями позже «Моски» выполнили в Каталонии свой последний боевой вылет.

Ввиду растущего воздушного превосходства националистов, разведывательные полеты над вражеской территорией на самолетах Р-5 «Rasante» и P-Z «Natacha» стали невозможны. Только скоростной самолет- истребитель имел шансы выполнить такое задание. Учитывая это, некоторые из И-16 тип 10 Fuerza Aereas Rcpublicanas были доработаны для выполнения разведывательных полетов. На них устанавливалась фотокамера, которая помещалась иод местом пилота, и делала снимки вертикально вниз. В начале 1939 года большое количество разведывательных полетов выполнил летчик Джакобо Альберти (Jacobo Alberdi), который снимал захваченные националистами гавани Пенискола (Peniscola) и Ванароз (Vinaroz), а также авиабазу Ла Сена (La Cenia), на которой базировался немецкий «Легион Кондор».

31 марта 1939 года. Республика капитулировала. К этому времени несколько И-16 еще воевало в Центральном секторе, и большое количество исправных И-16 тип 10 осталось в «Школе скоростных истребителей» на учебной базе Эль-Кармоли (El Carmoli) под Картахеной (Cartagena). Еще пятнадцать самолетов позже было восстановлено используя части различных «Моска», найденных на заводе Servicio de Aviacion у Fabrication SAF-15 в Аликанте (Alicante). В соответствии с соглашением Jordana-Berard, семь И-16 были возвращены из Франции обратно в Испанию.

Этот трофейный И-16 тип 10 «Супер Моска», все еще сохраняет эмблему За Escuadrilla Moscas (две игральные кости) на хвостовом оперении. Самолет поставлен в Испанию в марте 1938 года.

После подписания договора о взаимопомощи между Советским Союзом и Китаем в августе 1937 года, китайским ВВС было передано около 200 истребителей И-16 различных модификаций. Одиако, наиболее многочисленными из них были И-16 тип 10. Первые истребители этой модификации были поставлены Китаю весной 1938 года.

И-16 тип 10 заменял в боевых частях американский Curtiss Hawk II. 4-я китайская истребительная группа стала первым подразделением, получившим И-16 тип 10. Перевооружение проходило в Чангкиако (Changkiakow), в северном Шанси (Shansi).

И-16 участвовали и в самом большом воздушном сражении китайско-японской войны, состоявшемся 29 апреля 1938 года, в районе Уханя (Wuhan). Восемнадцать бомбардировщиков Mitsubishi G3M, сопровождаемые двадцатью семью истребителями были перехвачены шестьюдесятью семью истребителями советской постройки. Девятнадцать И-152 II шесть И-16 пилотировали китайские летчики из 3-й и 4-й истребительных групп, в кабинах остальных самолетов находились советские пилоты. В ходе сражения, было сбито десять японских бомбардировщиков и одиннадцать истребителей. Китайцы потеряли девять самолетов и четырех пилотов, потерь среди советских нилотов не было, но два истребителя было уничтожено.

31 мая 1938 года, японцы совершили следующий налег на Ухань. Японский отряд включал восемнадцать бомбардировщиков и тридцать пять истребителей. На их перехват поднялись восемнадцать китайских и тридцать один советский пилот (тридцать три И-152 и шестнадцать И-16). В результате сражения, погиб один китайский пилот И-16, правда, японцы сообщили об уничтожении двадцати вражеских самолетов.