Первые серии И-16 выходили с за­водов в стандартной для тогдаш­ней советской авиации схеме окраски одномоторных машин - темно-зеленый верх, светло-голубой низ. При этом капоты моторов, как правило, были черными. Так же выглядели самолеты, поступавшие в Испанию и Китай.

Красные пятиконечные звезды без окантовок наносили на борта фюзеляжа за кабиной и на консоли крыла, сверху и снизу. Уже в частях на вертикальном оперении рисовали белой, голубой или красной краской тактические номера, состоявшие из одной или двух цифр. Цвета номеров на самолетах одной эскадрильи обычно совпадали.

В 1938 году в советских ВВС был введен так называемый «камуфляж мирного времени», представлявший собой покрытие всего самолета алюминиевой краской -серебрянкой. Считалось, что она лучше предохраняет машину от солнечных лучей и атмосферных воздействий. При вступле­нии в боевые действия самолеты надле­жало перекрасить сверху и с бортов в маскировочный зеленый цвет, что и было сделано на Халхин-Голе. Зимой в районах с устойчивым снежным покровом самолеты покрывали белой краской, которую весной смывали.

В начале 1940 года очередным прика­зом «камуфляж мирного времени» отменили, и самолеты опять стали красить в зелено-голубые тона. В 1941 году изменилось расположение опознавательных знаков: теперь звезды рисовали на крыле только снизу, зато они появилась на вертикальном оперении. Соответственно, тактический номер «переехал» с оперения на фюзеляж.

Впрочем, к началу Великой Отечественной войны в авиачастях оставалось еще довольно много машин с опознавательными знаками, нанесенными по старой схеме. Отдельного упоминания заслуживают так называемые «красные пятерки» - пилотажные группы И-16, выступавшие на различных праздниках и воздушных парадах. Судя по воспоминаниям очевидцев, самолеты этих групп были целиком окрашены в красный цвет.