Под крыльями на месте бомбодержателей также могли быть установлены восемь направляющих для реактивных снарядов РС-82 (по четыре под каждым крылом). Вместо подвесного вооружения И-153 могли нести по два 80 литровых или 100 литровых топливных бака.

Применение самолета в боевых условиях на территории Монголии выявило ряд недостатков И-153. Вибрации приводили к отслоению обшивки на крыле, также стало проблемой отсутствие противопожарной перегородки. Разрушались выхлопные патрубки. Двигатели М-25В и М-62 были недостаточно надежны, а основные стойки шасси часто ломались или складывались в результате грубой посадки.

Этот истребитель И-153 (тактический номер «3» желтый) был частью выставки «Russenparadies» на улице Уидер ден Линден в центре Берлина. Поврежденная оригинальная крыльевая стойка была заменена немцами двумя трубами, соединенными в виде буквы «X» и обернутыми тканью. 8 мае 1942 года большинство экспонатов этой выставки, включая и И-153, было уничтожено.

Чтобы преодолеть данные проблемы, И- 153 были модернизированы. С начала 1940 года, двигатель М-62 был заменен двигателем М-63, мощностью 1100 л.с. Несмотря на возросшую мощность, вес самого двигателя увеличился только на 7 кг. Во время Второй мировой войны, когда поврежденные И-153 находились на ремонтных базах, их оригинальные двигательные установки часто заменялись моторами М-63.

К моменту, когда германские войска вторглись в Советский Союз, И -153 были вторым по численности истребителем советских ВВС. Хотя к этому времени И-153 уже устарел, но сборочные линии по его выпуску продолжали работать, до тех пор, пока новые современные советские истребители типа МиГ-3 и ЛаГГ-3 подготавливались к массовому производству. Это было необходимо, чтобы сохранить штат квалифицированных рабочих и служащих на авиационных заводах.

Всего с весны 1939 года до конца 1940 года на авиазаводах №1 и №156, было построено 3437 истребителей И-153. В августе 1940 года авиазавод №1 перешел на выпуск нового истребителя МиГ-3.

И-153 символизировал закат карьеры истребителя-биплана в советских ВВС. Эра расцвета бипланной схемы с ее стойками и растяжками уже прошла, и хотя на чертежных досках, появился проект «Чайки», но все ухищрения типа убирающегося шасси, не могли надолго продлить жизнь биплану.

Поступая в эксплуатацию, И-153 уже был анахронизмом – к этому времени истребители-бипланы уже уступили пальму первенства истребителям-монопланам.

Ранние серийные варианты И-153 окрашивались оливково-зеленой краской на верхних поверхностях, а на нижних – светло-голубой. Красные звезды национальных опознавательных знаков имели тонкую черную окантовку и небольшой черный круг, вписанный в звезду. Внутренние узлы самолета обычно окрашивались светло-голубым цветом. Некоторые И-153 эксплуатировавшиеся в предвоенный период в истребительных полках не имели красных звезд на верхнем крыле, однако на нижнем крыле звезды наносились всегда. Тактические номера не имели обводки и рисовались или белым или серебряным цветом.

«Зимняя война» с Финляндией, в 1939- 40 годах, показала, что сплошная окраска самолета в серебряный цвет превосходно маскирует его на фоне снега. В результате этого опыта, имелся ряд самолетов полностью окрашенных «серебрянкой». Некоторые из И-153 имели серебряный фюзеляж и крылья, но верхняя поверхность их верхнего крыла окрашивалась оливково-зеленой краской.

К началу Великой Отечественной войны часть И-153 были определены для выполнения штурмовых заданий. Часть из них получила двухцветный камуфляж на верхних поверхностях – оливково-зеленый и темно-зеленый или оливково-черный и чернозеленый. В конце июня 1941 года был выпущен приказ, согласно которому отменялся внутренний черный круг в красных звездах, также отменялись и звезды на верхних поверхностях крыльев.

Тактические номера, военного времени, в различных частях сильно отличались. В некоторых истребительных полках тактические номера наносились на руле, а в некоторых – крупные двух- или грехзначные номера на фюзеляже. Иногда звезды и тактический номер на фюзеляже имели желтую обводку.

В Китай было поставлено в общей сложности девяносто три И-153. Китайские И-153 не несли национальных опознавательных таков на верхнем крыле или фюзеляже. У самолета на фотографии виден тактический номер -«2706», нарисованный на борту фюзеляжа белой краской. Этот истребитель оборудован парой подкрыльных сбрасываемых баков.

Этот немецкий И-153 (серийный номер 8245) был позже передан финским ВВС, где получил номер «IT-30». Все И-153, имевшиеся в Финляндии до 7 декабря 1942, не несли регистрационного кода на фюзеляже.

В период вооруженного конфликта на Халхин-Голе новые истребители И-153 в первую очередь направлялись в советские авиационные части, поддерживающие 1-ю армейскую группу.

Конфликт с японскими войсками на манчжурско-монгольской границе возник 11 мая 1939 года и быстро перерос в полномасштабную, но необъявленную войну. В ходе генерального сражения советские войска окружили передовые японские части в Манчжурии и в конце августа развернули наступление, 16 сентября 1939 года добившись окончательной победы на Халхин-Голе.

Двадцать И-153, только что сошедших со сборочной линии были отправлены по железной дороге через весь Советский Союз к конечно-выгрузочному пункту в Чите, где они были собраны пилотами 70-го истребительного авиаполка, которым командовал майор Сергей Грицевец. Эта часть вступила в бой 25 июля 1939 года, когда группа И- 153 столкнулась в воздухе с японскими истребителями Тип 97 над территорией, занятой советскими войсками. В ходе воздушной схватки, которая продолжалась всего пять минут советскими истребителями были сбиты два японских самолета.

В ходе «Зимней войны» с Финляндией, советские ВВС добились значительно меньших успехов. Советское наступление проводилось с мыслью о быстрой победе, но скоро советские войска оказались в тяжелом положении, поскольку финны оказали жестокое сопротивление. В результате, Сталин был вынужден бросить на фронт сорок пять стрелковых дивизий и 3000 самолетов. Наиболее успешный авианалет, выполненный советскими ВВС состоялся 29 февраля 1940 года, когда сорок истребителей И-153 и И-16 нанесли удар по аэродрому в Руокалахти (Ruokalahti). Три истребителя Gioster Gladiator были уничтожены на земле и еще два Гладиатора и Fokker DXXI были сбиты в воздушном бою.

Когда 22 июня 1941 года германские войска пересекли советскую границу, в западных военных округах имелось 1549 истребителей И-153. Почти половина из них была уничтожена на земле. Некоторые части пострадали меньше, так в 1-й смешанной авиационной дивизии, которая состояла из 2-го и 122-го истребительных полков, оставалось около пятидесяти трех истребителей И-16 и И-153, переживших первый удар.

Немецкое вторжение произошло в самый неудачный для советских военно-воздушных сил период, так как самолеты новых конструкций еще не поступали в достаточном количестве, а пилоты не были полностью переучены на самолеты нового поколения. Летом 1941 года, основу советских военно-воздушных сил все еще составляли истребители Поликарпова – И- 152, И-153 и И-16.

В Киевском военном округе на Украине, имелось в общей сложности 1296 истребителей, входивших в состав семнадцати истребительных полков. Их большую часть около 980 шт., составляли И-153 и И-16. В начале войны семнадцатью И-153 располагал и 72-ой смешанный авиаполк Северного флота. 8-й истребительный авиаполк Черноморского флота вооруженный И-153 вел боевые действия, базируясь на аэродроме в Каче, в районе Севастополя.