«Чайки» впервые вступили в бой летом того года во время конфликта с японцами в Монголии, который в истории прочно связан с названием реки Халхин-Гол. Японцы тогда впервые широко применили истребитель «тип 97» (Ki.27, И-97), который оказался серьезным противником для И-16 и И-15бис. Советская сторона также ожидала поступления новых истребителей, тем более что некоторые участники боевых действий в Монголии имели непосредственное отношение к созданию таких самолетов. Например, назначенный в конце июня командиром 22-го истребительного авиаполка Григорий Кравченко прибыл на войну после службы в НИИ ВВС, где занимался Госиспытаниями И-153.

В конце июня 1939 г. первые двадцать «Чаек» доставили литерным железнодорожным эшелоном в Читу, где силами заводской бригады собрали, облетали и в первых числах июля перегнали на фронт. Пять машин передали в 22-й авиаполк, а большинство «Чаек» попало в одну из эскадрилий 70-го ИАП, которую возглавлял м-р Грицевец. Сергей Грицевецктому моменту был уже знаменитым воздушным бойцом, в феврале 1939 г. за боевые успехи в небе Испании ему было присвоено звание Героя Советского Союза. В Монголии Грицевец находился с 29 мая, и теперь ему, как одному из лучших пилотов, летавшему до этого несколько лет на И-16, было доверено ввести в бой новые И-153.

Эпизод первого вступления «Чаек» в бой достаточно широко и красочно описывался в советской прессе. Не пытаясь подтверждать эту историю или опровергать ее (а сомневаться здесь можно скорее всего лишь в результатах воздушного боя), перескажем произошедшие события. 7 июля, в день начала японского наступления в районе Баин-Цагана, начальник ВВС 1-й армейской группы комкор Смушкевич разрешил вылет новых истребителей к линии фронта. Девятку И-153, ведомую Грицевцом, сопровождала группа И-16 комэска Чистякова из 22-го ИАП. Пересекать границу и вести бой над вражеской территорией в том вылете запрещалось. Встреча с японцами произошла в районе сопки Хамар-Даба, после чего Грицевец, заметивший группу И-97, развернул свою девятку на обратный курс. В соответствии с планом, предполагалось заманить вражеские истребители на свою территорию и в районе командного пункта наземных войск провести показательный воздушный бой. Уловка удалась. Японцы, принявшие «Чайки» за истребители И-15бис, с которыми они охотно вступали в бой, устремились вдогонку. Вскоре «удиравшая» девятка развернулась и с полупереворота, на встречных курсах в течение нескольких минут сбила четыре И-97.

Появление нового советского истребителя было отмечено японской стороной. Спустя несколько дней после первых воздушных боев с участием И-153, токийская газета «Иомиури» писала о появлении у «красных» нового истребителя, ошибочно названного И-17.

В начале августа 1939 г. на фронт прибыла группа И-153 в составе 13 машин для прохождения войсковых испытаний в боевых условиях. Эти самолеты, которые сопровождала группа заводских специалистов во главе с инженером Каревым, поступили в 22-й авиаполк м-ра Кравченко. Истребители участвовали в боевых действиях с 9 августа по 6 сентября. Особенно жарко пришлось в период советского наступления с 25 по 30 августа. В отдельные дни доводилось выполнять по 5-6 боевых вылетов, а общий налет всех машин составил 572 ч. За время «командировки» были потеряны две машины. В этих испытаниях приняли участие самолеты с двигателями М-62. Почти все они были оснащены воздушными винтами фиксированного шага, и лишь один (N2 6071) – винтом изменяемого шага типа ВВ-1. Выяснилось, что эта машина имеет значительно меньшее время разбега – всего 6 с, тогда как остальным требовалось 15. В тоже время эти остальные «Чайки» могли при одинаковом количестве взятого топлива (225-230 кг) патрулировать в воздухе большее время, обычно 1 ч 40 мин, если не случалось воздушного боя.

Больше всего нареканий вызвали двигатели М-62, отличавшиеся ненадежностью и малым ресурсом, которые обычно приходилось менять через 60-80 ч налета. Были мелкие замечания по планеру, в т.ч. наблюдался обрыв несущих лент-расчалок. Особо отмечено было сильное задувание через ниши шасси – в случае пожара при отсутствии противопожарной перегородки летчик в считанные секунды получал сильные ожоги, не успевая ничего предпринять. Например, так произошло с летчиком Ковалевым.

К 20 августа 1939 г. общее количество истребителей в составе ВВС 1-й армейской группы выглядело следующим образом: 70-й ИАП – 77 И-16, 2 И-15, 30 И-153; 22-й ИАП – 82 И-16, 1 И-15, 13 И-153; 56-й ИАП – 64 И-16, 18 И-15, 24 И-153.

В целом «Чайка» по результатам боевых действий была признана неплохим самолетом, по крайней мере, японских машин, ее превосходивших, встречено не было. Отмечалось, что И-153 имеет преимущество в скорости и маневренности перед И-97 на всех высотах. Японский истребитель быстрее разгонялся на пикировании, чем неоднократно пользовались их пилоты.

Всего до окончания боевых действий в Монголию прибыло 70 И-153. За период с 28 июля по 15 сентября 1939 г. были потеряны 22 «Чайки» (см. таблицу).

Авария И-153 с двигателем М-25В из 70-го ИАП. Халхин-Гол, октябрь 1939 г.

Еще одна пострадавшая в аварии «Чайка» из того же полка. Халхин-Гол, октябрь 1939 г.

По соглашению с центральным китайским правительством, начиная с осени 1937 г. и вплоть до начала 1941 г., в Китай было отправлено 1250 самолетов советской постройки, которые сыграли важную роль в отражении японской агрессии. 93 истребителя И-153 были переправлены по ту сторону Великой китайской стены в первой половине 1940 г. Из них сформировали три боевые истребительные группы, которые действовали в основном в системе ПВО крупных населенных пунктов. К особенностям условий эксплуатации И-153 в Китае следует отнести жаркий климат, поэтому для улучшения охлаждения двигателей лобовую часть капотов снимали. На протяжении года боевого использования значительная часть И-153 была потеряна. Полеты отдельных уцелевших «Чаек» отмечались в 1942-43 годах.