В сентябре 1940 г. ДМ-2 установили на И-153. Благодаря тому, что «Чайка» обладала большей скоростью, выше оказалась и эффективность ПВРД. Прирост скорости составил 30 км/ч. В октябре того же года на «Чайке» испытали новые двигатели ДМ-4, при включении которых скорость самолета увеличивалась на 40 — 50 км/ч. Всего с моторами ДМ-2 и ДМ-4 произвели 74 испытательных полета. Тем не менее, в ВВС И-153 с прямоточными двигателями не передавались. Впоследствии двигатели ДМ испытывались на самолетах ЛаГГ-3, Як-7, Як-9. Прирост максимальной скорости на этих машинах достигал значения 110 км/ч.

Серийное производство «Чаек» на авиазаводе № 1 началось в 1939 г. В течение последующих 12 месяцев И-153, получивший заводской индекс «тип 34» полностью вытеснил из производства более ранний И-15бис («тип 32»). Поквартальное распределение выпуска И-15бис и И-153 распределялось так:

Кроме того, еще 189 И-153 с двигателями М-63 не достроили и они перешли в план 1940 г.

В 1939 г. на авиазаводе № 1 производили не только серийную продукцию, поэтому уместно будет упомянуть и другие работы. Так, в течение этого года здесь велась сборка шести истребителей монопланов И-180. Спустя два месяца, в декабре, достроили опытный истребитель полутораплан И-190, предлагавшийся на замену И-153.

В соответствии с Постановлением КО № 171сс от 20 июня 1939 г., на заводе № 1 началось освоение двухмоторного ближнего бомбардировщика ББ-22 конструкции А.С. Яковлева. 17 июля 1939 г. последовал соответствующий приказ наркомата авиапромышленности об организации на заводе конструкторского бюро КБ-70 в количестве 70 человек по подготовке серии ББ-22. Вновь назначенному начальнику КБ-70 инженеру Стронгину и его заместителю Курбала приказывалось немедленно приступить к разработке конструктивных чертежей, директору завода П.А. Воронину и его заместителю П.В. Дементьеву в трехдневный срок изыскать помещение для нового коллектива. Далее следовало распоряжение немедленно собрать всех лучших специалистов по деревянным конструкциям для работы над ББ-22, а расценки для рабочих установить выше на 20 — 30%, чем на производстве И-153 «Чайка». К августу 1939 г. на новом бомбардировщике требовалось довести вооружение, шасси и силовую установку. Все эти и другие меры предпринимались для того, чтобы в соответствии с принятыми планами, в 1940 г. выпустить 1000 самолетов ББ-22. Планы эти реализовались лишь частично, 50 заложенных ББ-22 к концу года не закончили и поэтому они перешли в план 1940 г.

1940 год стал последним годом производства истребителей И-153. При запланированном выпуске 2040 машин было собрано 2362 «Чайки». В конце года авиазавод № 1 перешел на выпуск истребителей МиГ. До конца года здесь произвели 100 МиГ-1 и 20 МиГ-3, а также 81 ББ-22. Хотя производство И-153 официально прекратили, но еще 64 «Чайки» достроили в 1941 г. Суммарный выпуск И-153 за 1939 — 1941 гг. составил 3437 экземпляров. Летом 1941 г. наряду с истребителем И-16, «Чайка» являлась основой истребительной авиации Советского Союза.

Неоднократные высказывания в ряде западных публикаций об использовании И-153 в боях Гражданской войны в Испании (1936 — 1939 гг.) являются явным недоразумением. Вспомним, что первый опытный И-153 начал испытываться в августе — сентябре 1938 г. Наличие в этой машине недостатков, присущих опытным образцам, задержало ее доводку до зимы. В начале 1939 г. испытания второго опытного И-153 (№ 6005) продолжили в Баку — там же чуть позже проходили испытания «Чаек» войсковой серии. Поставки же советской военной техники в Испанию закончились еще в конце 1938 г., а в марте 1939 г. Испанская республика уже перестала существовать. Именно в это время велись доводочные работы и устранение недостатков на самолетах И-153 войсковой серии. Таким образом, испытания И-153 до марта 1939 г. не завершились, и отправка хотя бы одного экземпляра этого самолета в Испанию представляется невозможной.

Впервые в боевых действиях «Чайки» участвовали летом 1939 г. во время советско-японского конфликта на р. Халхин-Гол в Монголии. Эта летняя война характеризовалась активным применением авиации и жесточайшими воздушными боями. Японцы тогда широко применили истребитель «тип 97» (Ki.27, известный у нас как И-97), который оказался серьезным противником для советских И-16 и И-15бис. Советская сторона также ожидала появления новых истребителей, тем более что многие участники боевых действий в Монголии сами имели непосредственное отношение к созданию таких самолетов. Достаточно сказать, что назначенный в конце июня 1939 г. командиром 22-го иап Григорий Кравченко прибыл на эту войну с должности летчика-испытателя НИИ ВВС, где он занимался государственными испытаниями истребителя И-153.

Первые двадцать «Чаек» прибыли к месту боевых действий в конце июня 1939 г. Самолеты доставили литерным железнодорожным эшелоном в Читу, где их собрали силами заводской бригады, а затем перегнали на фронт. Для полетов на новых истребителях начальник ВВС 1-й армейской группы, комкор Яков Смушкевич выделил лучших пилотов 70-го истребительного авиаполка во главе с майором С. Грицевцом. Сергей Грицевец являлся опытным воздушным бойцом, в феврале 1939 г. за боевые успехи в Испании ему присвоили звание Героя Советского Союза. С 29 мая Грицевец находился в Монголии и уже успел прославиться спасением командира 70-го иап майора Заба\уева.

Самолет комполка подбили в воздушном бою над вражеской территорией, и пилоту пришлось спасаться на парашюте. Грицевец посадил свой И-16 рядом с местом приземления Забалуева и, забрав его, вывез на свою территорию. Теперь Грицевцу, как одному из лучших пилотов, летавшему до этого несколько лет на И-16, доверили ввести в бой новые истребители И-153.

В первых числах июля «Чайки» перелетели к месту боевых действий, пять машин передали в 22-й авиаполк. Через день после прибытия, звено новых истребителей в районе местечка Тамцак-Булак приняло участие в отражении налета на свой аэродром японских бомбардировщиков. 7 июля, в день начала японского наступления в районе Баин-Цагана, Я. Смушкевич разрешил вылет новых истребителей к линии фронта. Девятка И-153, ведомая Грицевцом, сопровождалась в этом вылете группой И-16 комэска Чистякова из 22-го иап. Пересекать границу и вести бой над вражеской территорией в этом вылете запрещалось.