И-180 в нескольких вариантах проектировался и строился (на замену И-16) как массовый истребитель для тех полутораста тысяч летчиков, которые должны были быть выпущены в ближайшие годы согласно выдвинутому лозунгу. По схеме он повторял И-16, но с несколько большими размерами и мощностью и значительно более высокими летно-тактическими качествами. Предполагалась также и более совершенная, передовая для 1938 года конструкция Н.Н.Поликарпова – с широким применением прессованных профилей, литья и штамповки. Исходя из этих соображений и проектировался И-180 с двигателем М-88. Однако в уступку серийному заводу была принята привычная для него смешанная конструкция типа И-16, к 1938 году уже во многом устаревшая. Следует выделить следующие варианты самолета И-180: И-180-1, И-180-2, И-180-3, И-180Ш.
Конструкция И-180-1 – по типу И-16, смешанная. Фюзеляж – деревянный монокок. Крыло с трубчатыми лонжеронами и нервюрами из дюралюминовых профилей, носок крыла дюралюминовый и к нему приклепана тесьма, за которой шла полотняная обшивка. Оперение дуралюминовое, обшивка рулей и элеронов – полотно. Шасси трехстоечное пирамидальное, уборка его пневматическая. Баки сварные из АМц, протектированные. ВИШ трехлопастный, диаметр капота двигателя М-88 – 1310 мм, длина его 1260 мм. Вооружение – 4 пулемета ШКАС синхронных, 40 кг бомб, в перегрузку – до 200 кг. Самолет строился в 1938 году и был вывезен на Центральный аэродром. На первом же вылете 15.12.1938 он разбился. Погиб известный летчик-испытатель В.П.Чкалов. Причиной аварии была остановка двигателя. В этот день был мороз –24°. При снижении самолета на малых оборотах переохлажденный двигатель заглох. В.П.Чкалову не хватило нескольких метров высоты, чтобы достичь аэродрома. И-180-2 – измененный вариант предыдущего самолета, сперва устанавливался двигатель М-87А, затем М-87Б, конструкция несколько модернизирована, размах и площадь крыла немного увеличены, учтен опыт первого самолета. Вооружение прежнее. Первый полет 19.04.1939 совершил летчик Е.Г.Уляхин, а уже 1 мая того же года летчик С.П.Супрун участвовал на самолете И-180-2 в воздушном параде над Москвой. При дальнейших испытаниях, которые проводил Т. П. Сузи, 05.09.1939 в пятьдесят третьем полете (с заданием – полет на потолок) самолет потерпел катастрофу и летчик погиб. По заключению аварийной комиссии причиной катастрофы явилось ослепление летчика горячим маслом вследствие разрушения подкапотного маслорадиатора. Самолет, как таковой, не был опорочен, и катастрофа не отразилась на выпуске третьего опытного экземпляра и внедрении самолета в серию. И-180-3 – внешние формы самолета остались прежними, но двигатель был поставлен новый – М-88Р (с редуктором) в 1000 л.с., и соответственно изменилась форма его капота. От И-180-2 отличался конструкцией крыла. Полки лонжеронов (тавры) – из стали 30ХГСА, остальной материал крыла – дюралюмин. Нервюры – из угольников, клепка везде открытая. Полотно в обшивке рулей – по типу И-190. Шасси пирамидальное с пневматической уборкой. Вооружение: два пулемета ШКАС и два пулемета БС, собранных в одну батарею (впервые в мире) и стрелявших синхронно между верхними цилиндрами двигателя. Бомбовая нагрузка – 40 кг, в перегрузку – 200 кг. Первый полет был совершен 10.02.1940. Заводские испытания, проводимые летчиком-испытателем Е.Г.Уляхиным прошли в общем благополучно. Самолет развивал скорость до 575 км/час. Еще с августа 1939 года было начато внедрение И-180 в серию. Правда на госиспытаниях самолет разбился, потому что летчик Прошаков, выполняя неправильно разворот, выбросился с парашютом и неуправляемая машина врезалась в землю. Постройка первой серии продолжалась. Было признано, что самолет в перегрузочном варианте может использоваться как штурмовик, а с подвесными баками – как истребитель сопровождения. Отмечалась лишь недостаточная местная прочность шасси с его механизмами.
И-180 серийный: двигатель М-88Р, формы – как в И-180-3, но конструкция крыла снова была сделана по типу И-16 в уступку заводу. Силовая группа c вооружением была сделана отъемной на четырех точках. Серийная сборка была уже организована на потоке. Первые три самолета из серии в десять самолетов были выпущены в декабре 1939 года и проходили серийные испытания. К 01.05.1940 были выпущены все десять самолетов, а три из них были показаны на первомайском параде. И-180Ш – серийный экземпляр И-180, но с изменением шасси, которое вместо пирамидального было сделано одностоечным, как и в других истребителях. Постройка не была завершена в связи с прекращением серийного выпуска.