Истребитель И-16 — одномест­ный свободно-несущий моноплан смешанной конструкции с убирающимся шасси.

Фезюляж: типа полумонокок, выполнен из древесины. Ажурный каркас из шпангоутов и стрингеров покрыт «скорлупой», выклеенной из нескольких слоев березового шпона. Сборка производилась на казеиновом клее и оцинкованных гвоздях. 

Крыло: разъемное, состоявшее из центроплана и консолей. Центроплан имел цельнодюралевую конструкцию с каркасом из трубчатых лонжеронов и нервюр, собранных из профилей. Обшивка - дюралевые листы на заклеп­ках. Вдоль стыка крыла с фюзеляжем шел деревянный зализ, а стык центроплана с консолями закрывался дюралевой лентой. Конструкция консолей аналогична центроплану, но их обшивка была смешанной. Сверху до переднего лонжерона она выполнялась из дюраля, а далее и на нижних поверхностях - из полотна. К задним кромкам консолей крепились элероны с дюралевым каркасом и полот­няной обтяжкой. На ранних модифика­циях машины элероны при посадке могли опускаться синхронно, играя роль закрылков.

Хвостовое оперение: свободнонесущее. Стабилизатор, киль и рули имели дюралевый силовой набор и полотняную обшивку. Проводка рулей высоты жесткая, из трубчатых тяг и качалок, руля направления - мягкая тросовая.

Силовая установка. Двигатель звездообразный, девятицилиндровый, воздушного охлаждения, его тип менялся в зависимости от модификации. Моторама - сварная из стальных труб. Капот на всех модификациях, кроме типа 4, состоял из круглой лобовой панели с прорезями для охлаждения двигателя и шести съемных крышек с выколотками для выхлопных патрубков. Между задней кром­кой капота и обшивкой фюзеляжа имелась щель для выхода охлаждающего воздуха. Винт - двухлопастный, металлический, снабженный храповиком для запуска мо­тора с помощью автостартера. Бензобак и маслобак установлены между двигателем и кабиной.

Вооружение: зависело от модификации.

Шасси: трехстоечное, с хвостовой опорой. Основные опоры пирамидального типа убирались в ниши центроплана с помощью тросов и ручной лебедки. Для выпуска и уборки летчику приходилось делать 43 оборота рукоятки, размещенной в кабине. Хвостовая опора в виде костыля. Зимой при эксплуатации со снежных аэро­дромов колеса шасси менялись на лыжи, начиная с 18-й модификации, возмож­ность уборки шасси сохранялась. На хво­стовой костыль также крепилась малень­кая лыжа.