История этой машины, получившей название И-5, началась летом 1927 г., когда Поликарпов разработал предварительный проект истребителя под английский мотор Бристоль «Юпитер» – один из лучших в те годы по удельной мощности. Постройка И-5 была включена в пятилетний план развития советского самолетостроения, принятый 28 июня 1928 г. Конструирование И-5 по этому плану должно было быть закончено в ноябре 1929 г., а в октябре следующего года его требовалось выпустить на испытания.

Меньше чем за два месяца маленький коллектив ОКБ спроектировал новый истребитель. 28 марта 1930 г. утвердили полноразмерный макет, а уже 29 апреля летчик Бухгольц поднял в небо первый опытный экземпляр самолета с обозначением ВТ-11, в итоге даже опередив плановые сроки.

И-5, как и большинство истребителей того времени, являлся полуторапланом, т. е. бипланом, у которого нижнее крыло существенно короче верхнего (размах верхнего - 9,65 м, а нижнего - 7,02 м). Конструкция обоих крыльев была двухлонжеронной. Деревянные коробчатые лонжероны склеивались казеиновым клеем. Более длинное верхнее крыло имело 20 нервюр, а более короткое нижнее - 15. Передняя кромка крыла обшивалась дюралем (на 150 мм), а дальше все крыло обтягивалось полотном, пропитанным аэролаком. Каркас центроплана был дюралевым. Верхнее крыло несло элероны и имело вырезы спереди и сзади для улучшения обзора. Аэродинамический профиль обоих крыльев был одинаков – «Геттинген (Прандтль)-436». Между крыльями стояли И-образные стойки из дюралевых труб каплевидного сечения и такие же И-образные подкосы кабана. Основой силовой конструкции фюзеляжа являлась четырехугольная пирамидальная рама, сваренная из стальных труб. Для увеличения жесткости она имела внутренние проволочные растяжки. На раму крепился каркас из легких дюралевых шпангоутов и стрингеров. Передняя часть фюзеляжа (до кабины пилота) имела металлическую обшивку из листов, прикрепленных к каркасу пружинными защелками и стальными булавками. Хвостовая часть обтягивалась полотном, пришнурованным к каркасу. Только в самом ее конце имелись съемные металлические панели, обеспечивавшие доступ к амортизатору костыля.

В самом носу фюзеляжа располагался двигатель (на первом опытном И-5 это был Гном-Рон «Юпитер» VII). Его закрывал капот сложной формы - у головки каждого цилиндра имелся индивидуальный обтекатель. Мотор вращал деревянный двухлопастный винт постоянного шага диаметром 2,9 м. Втулку винта закрывал большой кок, продолжавший линии капота. Запустить мотор можно было сжатым воздухом от баллона, стоявшего в пилотской кабине. На случай пожара имелся огнетушитель, подводы которого были сделаны к бензопомпе, карбюратору и его всасывающему патрубку. В следующем отсеке, отделенном противопожарной перегородкой, стоял бензобак на 165 л. За баком располагалась открытая кабина летчика. От набегающего потока пилот был защищен только небольшим целлулоидным козырьком. Летчик сидел в кресле из гофрированного дюраля, в чашку которого укладывался парашют. К концевой части фюзеляжа крепилось хвостовое оперение, имевшее дюралевый каркас и полотняную обшивку. Киль был смещен на 3,5 мм влево от оси самолета, чтобы компенсировать возникающий при работе винта момент инерции. Шасси состояло из основных стоек с резиновыми амортизаторами, подкосов, расчалок и неразрезной оси. Спицы колес были прикрыты дисками. Задней опорой являлся костыль, также имевший амортизацию. Зимой колеса могли заменяться лыжами. На костыль при этом тоже надевалась маленькая лыжа.

Первый И-5 был вооружен двумя пулеметами ПВ-1 с синхронизатором ПУЛ-9. Пулеметы стояли по бортам фюзеляжа ниже уровня оси самолета. Их стволы выходили в длинные прорези, тянувшиеся к носу машины. Боезапас каждого пулемета составлял 600 патронов.

Для действий по наземным целям предусматривалось и бомбардировочное вооружение. Сначала предполагали, что две бомбы по 10 кг будут находиться в небольшом отсеке под сиденьем пилота. Так и было сделано на первой опытной машине. Позднее ввели два подкрыльных бомбодержателя Дер-5. Бомбы шли уже в перегрузочный вес. Всего построили три опытных И-5. Вторая машина, ярко-красный истребитель с белой надписью на борту «Клим Ворошилов» (она же ВТ-12), отличалась от ВТ-11 мотором «Юпитер» VI (тоже французского производства) и меньшей высотой руля поворота, кончик которого как бы «затупился» сверху. Третий самолет, названный «Подарок XVI партсъезду», или ВТ-13, существенно отличался от двух первых. На ВТ-13 стоял опытный отечественный двигатель М-15. М-15 был еще более высотным, чем «Юпитер»VII. На высоте 5000 м он должен был развивать мощность 600 л. с. Доводку этого мотора, спроектированного А.А.Бессоновым и А.П.Островским, предполагалось завершить к декабрю 1930 г.

В августе – октябре 1930 г. завод №39 изготовил установочную серию И-5. Эти истребители внешне были очень похожи на второй опытный И-5, но отличались от него гаргротом за кабиной пилота. На всех машинах стояли моторы «Юпитер»VI французского производства. Это не означало, что от использования М-15 отказались – просто его никак не могли «довести до ума».

Важным этапом в биографии И-5 стали войсковые испытания. Их проводили в 73-м авиаотряде 5-й авиабригады в Киеве. В ноябре 1930 г. туда доставили пять И-5 – три летных и два резервных. Резерв оказался не лишним, поскольку машину № 8 в ходе испытаний разбили. Полеты велись с 28 ноября 1930 г. по 24 января 1931 г. На аэродроме уже лежал снег, поэтому И-5 летали на лыжах. Новый истребитель получил у строевых летчиков положительную оценку. Отмечалось, что взлет и посадка просты, самолет может использоваться с небольших площадок, обладает хорошей маневренностью, устойчив в полете с работающим мотором и на планировании, легок в управлении (нагрузки на рули невелики), неплохо пикирует. Не вызвал И-5 резких возражений и у наземного состава - доступ к основным узлам машины был достаточно прост. Даже сложный капот мотора и тот полностью снимался всего за 8 минут.

По результатам испытаний было решено внедрить И-5 в массовое производство, выпустив за 1931 – 1932 гг. 269 самолетов этого типа. Серийные машины, выпущенные заводом №1 в 1931 г., практически не отличались от истребителей малой серии завода №39. Часть из них по-прежнему имела французские моторы, но на некоторых установили М-22 советского производства. Однако реальные масштабы выпуска И-5 на заводе №1 намного уступали плановым. За год завод изготовил всего 66 истребителей, сдав из них военным 53 экземпляра.

1 мая  1931 года И-5 впервые был показан на воздушном параде. Над Красной площадью летали, демонстрируя высший пилотаж, А.Б.Юмашев и А.Ф.Анисимов. Возглавлял группу И-5 начальник ВВС РККА Я.И.Алкснис на ярко-красном «Климе Ворошилове», который стал его личным самолетом.

В 1932 г. производство И-5 было не только продолжено, но и предпринимались большие усилия по его увеличению. Эта машина должна была стать первым советским по-настоящему массовым истребителем. Первоначально за 1932 г. хотели получить 125 И-5, но, в связи с тем что не был выполнен план прошлого года, эту цифру подняли до 300 самолетов.

К концу 1932 года И-5 составляли уже заметную часть парка советской истребительной авиации – около 20%. Всего их было 143 – чуть меньше, чем И-4, которого имелось 160 единиц. Старые И-2 и И-2бис сохранились уже только в летных школах. Однако основным истребителем ВВС РККА оставался И-3.

Летчики строевых частей хорошо приняли И-5. Очень маневренный, устойчивый в полете, послушный в управлении и неприхотливый к взлетным площадкам, он неплохо зарекомендовал себя в первые годы эксплуатации. У земли И-5 не уступал заграничным конкурентам по скорости и выделялся в положительную сторону отличной маневренностью на горизонталях. Очень легкий и компактный, самолет с небольшой нагрузкой на крыло имел очень маленький радиус разворота, здесь ему не было равных.

К 1934 году стали заметны признаки устаревания И-5. Одним из них стал казус с французским министром авиации Пьером Котом, нанесшим визит в Москву летом 1934 г. Кот летел на  самолете Кодрон С.635 «Симун». Этот небольшой четырехместный моноплан с неубирающимся шасси развивал скорость до 300 км/ч. Так вот, министр на этой машине прибыл в Киев. Для дальнейшего следования в Москву к нему приставили почетный эскорт – три И-5 из 109-й авиаэскадрильи. Но как только истребители пристроились к «Симун», тот дал газ и ушел вперед. И-5 безнадежно отстали и с позором вернулись назад.

Вскоре после этого эпизода выпуск И-5 прекратили – в заводских цехах его сменил И-16. За три года промышленность выпустила в общей сложности более 800 истребителей И-5. Обычно указывается цифра 803, но она включает только самолеты, изготовленные заводами № 1 и № 21, а опытные машины и малая серия завода № 39 в это число не входят.

Тем не менее, до поступления в массовых масштабах И-15 и И-16 И-5 оставался существенной частью нашей истребительной авиации. Поэтому продолжалась модернизация И-5, имевшихся в строю; в частности, в 1935 г. произвели замену старых деревянных винтов на металлические.

Проводились многочисленные эксперименты, связанные с испытанием на И-5 новых видов оружия. Летом 1934 г. 5-я авиабригада под Киевом испытывала противосамолетные бомбы, которые тогда считались перспективным средством для поражения бомбардировщиков. Небольшие (по 8 кг) бомбы сбрасывались по конусам, которые буксировали самолеты Р-5. Там же тоже в 1934 г. пробовали стрелять с И-5 первыми советскими реактивными снарядами «флейта» – каждый истребитель нес под нижним крылом восемь снарядов. Впоследствии на И-5 испытывались и другие образцы ракетного оружия, этот процесс закончился испытаниями системы РС-82.

Внедрение реактивных снарядов частично было связано с перспективами применения И-5 как легкого штурмовика. Такие попытки были, и иногда они оканчивались весьма удачно. Истребители 5-й авиабригады на маневрах под Житомиром осенью 1935 г. разогнали кавалерийский корпус Криворучко, перепугав лошадей стрельбой и шумом моторов.

С 1937 года И-5 стали снимать с вооружения  и к началу Великой Отечественной самолёт оставался лишь в летных школах. Тем не менее, огромные потери в авиации вынудили использовать И-5 в качестве штурмовика и ночного бомбардировщика. 

В штурмовых полках вооружение И-5 часто усиливали заменой пулеметов ПВ-1 на ШКАС, подвеской реактивных снарядов. Как легкие ночные бомбардировщики И-5 участвовали в битве под Москвой. На них воевали, например, 604-й и 605-й полки. Они базировались в Быкове, Пушкине, Клине и сменили И-5 на новую технику в феврале 1942 г. На Западном фронте пробовали применить И-5 как ночные истребители, но без существенных успехов. Последние И-5 сохранились на фронте до 1943 года.