При проектировании И-4 перед конструкторами стояла задача создать опытный цельнометаллический истребитель для сопоставления его с истребителями смешанной и деревянной конструкции. Задание на проектирование И-4 было выдано осенью 1925 г. Первый опытный образец был собран и предъявлен на заводские испытания в августе 1927 г. Их проводил с 10 августа по 25 сентября летчик-испытатель М. М. Громов. Испытания в НИИ ВВС проводились с 27 сентября по 17 ноября 1927 г. Список выявленных недостатков включал 34 пункта, однако к 1 августа 1928 г. большинство из них были устранены, и машину вновь предъявили для испытаний в НИИ ВВС. Испытания самолета велись параллельно с совершенствованием его конструкции. 25 апреля 1929 г. НИИ ВВС представил отчет об испытаниях, в котором отмечалась хорошая устойчивость на всех режимах полета, быстрая и четкая реакция на работу рулей, легкое выполнение фигур высшего пилотажа, хороший обзор из кабины летчика. В то же время масса самолета оказалась завышенной, а применение гофрированной кольчугалюминиевой обшивки привело к повышенному аэродинамическому сопротивлению. Самолет выпускался серийно. Всего построили 177 серийных и 2 опытных машины. В начале 1930-х годов И-4 составляли около четверти парка истребительной авиации ВВС РККА. Как и истребитель И-3, И-4 был спроектирован по схеме полутораплана.
Цельнометаллический фюзеляж имел три лонжерона, из которых два располагались по бортам, а один — в нижней части фюзеляжа. От бортовых лонжеронов до нижнего фюзеляж обшивался листами гофрированного кольчугалюминия. Такую же обшивку имели крылья и поверхности хвостового оперения. На серийных самолетах устанавливался двигатель М-22. Он развивал мощность 480 л. с., что позволяло самолету летать у земли со скоростью 220 км/час, а на высоте — со скоростью 231 км/час. Вооружение серийных И-4 состояло из двух 7,62-мм синхронных пулеметов.