Vývoj I-180 začal v roce 1939 v konstrukční kanceláři Polikarpov, ve které v té době začali pracovat na vytvoření nového letadla, které by splňovalo tehdejší požadavky sovětského letectva. Konstruktéři se rozhodli postavit nové letadlo na upraveném modelu I-16 a použít silnější hvězdicový motor. Výsledkem byl I-180. Vývoj a testování prototypů ale provázelo mnoho problémů a spousta nehod. To, v kombinaci s příchodem nových sovětských stíhaček rychle vrhlo stín na projekt I-180, který byl koncem roku 1940 ukončen. Než se tak stalo, stihli Sověti vyrobit jen velmi omezený počet letounů I-180S, tedy jeho produkční verze. Celkově bylo vyrobeno včetně prototypů jen asi 13 letadel I-180, z nichž žádný se nedočkal bojového nasazení.