В декабре 1936 года, первый И-16 тип 5 (тактический номер «9» черный), был захвачен националистами. Этот истребитель был перекрашен, получил опознавательные знаки националистов и код «1W-1», и позже изучался группой испытателей в Куатро Виентос (Cuatro Vientos). Для испытательных полетов стандартная трубка Пито самолета была заменена коленчатой.
Националисты прозвали И-16 «Рата» (Rata – крыса) или Boeing, так как его пугали с американским истребителем Р-26А. В этот период в Западной Европе и Америке вообще полагали, что И-16 был построен согласно спецификациям компании Boeing. Но фактически, И-16 были самолетами следующего поколения по сравнению с Boeing Р-26А.
В декабре 1936 года, в Испанию были доставлены следующие тридцать одна штука И-16 тип 5. Эти самолеты, использовались для формирования За Escuadrilla Moscas, базировавшейся в Альбасете (Albacete). 3-я эскадрилья была введена в строй в феврале 1937 года. В общей сложности Советский Союз поставил в Испанию шестьдесят два истребителя И-16 тин 5. К началу 1937 года, по крайней мере, четыре «Моска» были потеряны в бою, и только двадцать четыре считались боеготовыми, остальные находились на различных стадиях сборки.
Первые не русские пилоты начали появляться в 1-й и 3-й эскадрильях «Моска» в мае 1937 года. Это были такие опытные летчики-истребители как испанцы Мануел Агуирр (Manuel Aguirre) и Эдуардо Клаудии (Eduardo Claudin), и американцы Франк Тинкер (Frank Tinker) и Альберт Баумлер (Albert Baumler). В середине мая 3-ю эскадрилью «Моска», перебазировали в Северный сектор, при этом ее самолеты совершили перелет из Альжете (Algete) иод Мадридом в Бильбао (Bilbao). Из вылетевших двенадцати самолетов, только семь сумели выполнить перелет протяженностью почти 300 км, а пять были вынуждены возвратиться назад.
К концу июня, в строю находилось всего около пятидесяти И-16. По крайней мере, тринадцать И-16 тип 5 были потеряны в боях или авариях. В ходе сражения за Брюнет (Brunete) (6-28 июля 1937 года) И-16 впервые столкнулись с новыми немецкими истребителями Messerschmitt Bf 109.
И-16 тип 5 помог республиканцам добиться превосходства в воздухе, по крайней мере, в районе Мадрида. С ноября 1936 года, до лета 1937 года И-16 был самым лучшим истребителем, воевавшим в Испании. Это вынудило руководство Третьего Рейха послать в Испанию Messerschmitt Bf 109, чтобы компенсировать воздушное превосходство «Моска».
Когда в Испанию прибыло достаточное количество более совершенных И-16 тип 6 и И-16 тип 10, большинство сохранившихся И-16 тип 5, были переданы в учебное подразделение – «Школа скоростных истребителей» в Эль-Кармоли (El-Carmoli) под Картахеной (Cartagena).
И-16 тип 5 в Китае