Осенью 1925 года коллектив ЦАГИ получил задание создать истребитель с двигателем воздушного охлаждения, не уступающий по своим данным лучшим образцам зарубежных машин этого класса. Разработка машины была поручена бригаде, возглавляемой Павлом Осиповичем Сухим. Под общим руководством А. Н. Туполева она успешно выполнила задание. В июле 1927 года самолёт под маркой И-4 (АНТ-5) был построен. Лётчики М. Громов, А. Анисимов, А. Юмашев и И. Козлов, проводившие испытания, единодушно признали истребитель превосходным. С звездообразным отечественным двигателем М-22 мощностью в 480 л.с. И-4 показал скорость более 250 км/час. Его потолок превышал 7500 м. В конце 1927 года самолёт был принят в серийное производство. Правда, серийные самолёты несколько уступали по лётным данным головным экземплярам, но тем не менее оставались на уровне требований тех лет.

И-4 — подкосный полутораплан цельнометаллической конструкции. Площадь крыльев — 23,8 м2, вес пустого — 978 кг, взлётный вес — 1430 кг. Одна из особенностей конструкции трехлонжеронное верхнее крыло площадью 19,8 м2. Оно состояло из двух половин, стыковавшихся на пилоне фюзеляжа и державшихся на V-образных подкосах от основания крыла. Вооружение серийного истребителя два синхронных пулемёта. Было выпущено 369 самолётов, в том числе несколько модификаций, в частности, для проведения испытаний авиационного вооружения.

Самолёт И-4 эксплуатировался до 1933 года. Это был последний истребитель с гофрированной обшивкой всех поверхностей.