El avión fue diseñado por Nikolái Polikárpov y asistido por el ingeniero Dmitri Grigoróvich durante su estancia en una sharashka, Oficina Especial de Diseño del OGPU (CKB-39 OGPU) en la prisión de Butyrka.

[1]​[2]​ Escasamente un mes después, un segundo prototipo, bautizado Klim Voroshílov, alzaba el vuelo el 22 de mayo; en este segundo prototipo se reemplazó el motor original Gnome-Rhône Jupiter VII por el Bristol Jupiter VI, más adecuado para realizar operaciones a cotas baja y media.

El tercer prototipo, puesto en vuelo el 1 de julio de 1930, contaba con un motor radial M-15 carenado por un capó anular Townend (este grupo motopropulsor era una versión soviética del Jupiter VI).

El I-5 voló en unas evaluaciones comparativas con el Polikárpov I-6, un biplano de envergaduras desiguales básicamente similar al anterior que, diseñado para reemplazar al Polikarpov I-3, estaba propulsado por un motor radial Gnôme et Rhône Jupiter VI.

La cifra total de construcción, prototipos incluidos, alcanzó los 803 ejemplares.

El Polikárpov I-5 entró en servicio en la Fuerza Aérea Soviética a finales de 1931, donde llegó a ser el caza estándar de sus fuerzas aéreas hasta 1936, reemplazando al Polikarpov I-3 y al Túpolev I-4.

Se evaluaron dos conversiones biplaza con doble mando, y algunos I-5 fueron utilizados en los experimentos de cazas parásitos en conjunción con bombarderos Túpolev TB-3 en el llamado proyecto Zveno.