Пятилетним планом опытного самолётостроения, разработанным Авиатрестом в 1928 году, предусматривалось, в частности, создание одноместного, хорошо вооруженного истребителя, который по лётно-тактическим данным не уступал бы лучшим зарубежным машинам такого класса.

В конце апреля 1930 года было построено три опытных экземпляра нового истребителя: два с двигателями воздушного охлаждения и один с опытным жидкостного охлаждения. Все три экземпляра нового истребителя, получившего название И-5, были опробованы в воздухе. Полеты показали, что машина перспективна, но требует некоторого снижения веса конструкции и усиления вооружения.

Специально созданная небольшая группа, возглавляемая автором общего вида самолёта Н. Н. Поликарповым и участником проектирования Д. П. Григоровичем, провела большую работу по доводке конструкции и добилась значительного снижения веса истребителя, улучшения его маневренности и увеличения вертикальной скорости. Был создан и вариант самолёта с 4 пулемётами вместо двух. О качестве самолёта говорит такой факт: на нём лётчик В. А. Степанчонок впервые выполнил перевернутый штопор.

Полутораплан И-5 был смешанной конструкции. Фюзеляж — ферменный, сварной из труб, обшит полотном. На серийных самолётах для снижения сопротивления на головки звездообразного двигателя впервые в практике советского самолётостроения ставился кольцевой капот. Высокая горизонтальная скорость (278 км/час), минимальное время для выполнения виража, хорошая скороподъемность и простота в пилотировании выдвинули И-5 в число лучших в мире истребителей начала 30-х годов. Самолёт строился серийно несколько лет.