Затем в начале 1933 г. на аэродроме авиазавода № 21, находившемся в городе Горьком (ныне Нижний Новгород), был испытан биплан уже с четырьмя пулеметами, которые могли выпускать до 120 пуль в секунду. Однако надежность и дальнобойность ШКАСов оставляла желать лучшего, и для штурмовки наземных войск такой самолет подходил мало.
Поэтому вскоре на И-5 установили бомбодержатель для 50-кг бомбы ФАБ-50. Общий вес самолета достиг 1414 кг, но, несмотря на это, его удалось разогнать до максимальной скорости 285 км/ч и поднять на высоту 7520 метров. Лишь скороподъемность уменьшилась с 8,5 до 11,5 минут. Согласно акту об испытаниях, расход бензина составил около 0,3 литра на один километр. Кроме того, полеты выявили «простой взлет, руление, удобное управление, неплохой обзор из кабины. Фигуры проделывались уверенно».
Вместе с тем проявились и недостатки. В частности, испытатели авиазавода № 21 дали неудовлетворительную оценку бомбардировочному вооружению и его деталям. Сброс учебных бомб происходил с отказами и неточно. Вероятность попадания в круг диаметром 25 метров составляла не более 5 %. Масса машины, по мнению членов Госкомиссии, чрезмерно возросла.
В итоге начальник Управления ВВС РККА командарм 2-го ранга Я. И. Алкснис предупредил директора Горьковского авиазавода, что тот не уделяет должного внимания борьбе за облегчение веса. Одновременно было указано и на многочисленные дефекты бомбардировочной установки: «Смонтировано безобразно, небрежно, детали изготовлены грубо».
Выпуск биплана И-5 продолжался, и в течение 1933 г. он стал самым массовым истребителем, стоявшим на вооружении Красной Армии, но его качество оставляло желать лучшего. Особую проблему составляли «индивидуально изготовленные» детали, то есть подогнанные без всяких чертежей для конкретного самолета конкретными рабочими без всякого соблюдения принципа серийности.
В письме временно исполняющего обязанности начальника материально-технического снабжения и вооружения ВВС РККА Базенкова директору завода № 21 сообщалось: «На выпущенных заводом № 21 самолетах И-5 в целом ряде частей в процессе эксплуатации выявились дефекты, принявшие массовый характер. Они нарушают планы и темпы боевой подготовки частей ВВС из-за выхода из строя иногда целых подразделений, например, одновременно до 14 самолетов. Главная причина: плохая сварка и недоброкачественная сборка. Слазит краска с дюралевых деталей, самолеты драные, из всех вытекает бензин. В октябре 1934 г. имели место два случая пожара в воздухе из-за некачественной сборки карбюратора. Краска слазит через 10–15 минут».