Первое боевое столкновение произошло в 12 ч 20 мин 22 мая 1939 г., когда 3 И-16 и 2 И-15бис встретились с пятеркой КІ-27 (по советской классификации — И-97). Был сбит один И-16 без потерь со стороны японцев.

Первая потеря И-15бис отмечена 24 мая, когда самолет из 70-го ИАП пропал без вести. 28 мая последовало указание привести в боевую готовность 10И-16и10И-15 (по другим данным — 20 И-15бис). Произошедшее на следующий день имеет несколько вариантов трактовки событий. По одной версии, 13 И-15 вылетели поодиночке и в составе звеньев к линии фронта. После встречи с 18 истребителями противника назад вернулся 1 самолет, 9 летчиков погибли. По другим данным, «взлетевшие десять И-16 противника не встретили и вернулись на аэродром, а оставшиеся в воздухе 10 И-15 встретили 15-18 самолетов противника и вступили с ними в бой. По докладам летчиков и очевидцев, наблюдавших с земли, после первой атаки противник зажег самолет помощника командира полка. Помощник командира полка огонь потушил, но преследовавший на бреющем полете истребитель противника атаковал его и сбил. Командир авиаэскадрильи был ранен в голову и потерял сознание. Почти у самой земли он пришел в сознание, стал управлять самолетом и возвратился на свой аэродром». В этом бою погибли 4 летчика, один пропал без вести, один выпрыгнул с парашютом и вернулся через двое суток, двое были ранены. Один истребитель вернулся с большим количеством пробоин. Японцы потерь не понесли.

После удручающих результатов первых воздушных боев вышел приказ наркома обороны, запрещавший дальнейшие действия советской авиации по причине ее неподготовленности. 26 мая 1939 г. 70-й ИАП перебазировали в Баин-Тумэн для укомплектования новой материальной частью и летным составом. 29 мая к месту боевых действий на трех «Дугласах» вылетели 40 опытных летчиков-истребителей под командованием Я.В. Смушкевича. В дальнейшем летчики этой группы руководили подготовкой и ведением боевых действий прежде всего истребительной авиации. Боевых вылетов не велось вплоть до 17 июня 1939 г. К концу месяца 70-й ИАП насчитывал 60 И-16 и 24 И-15бис, 22-й ИАП — 35 И-16 и 32 И-15бис. Советская авиация в Монголии к тому моменту именовалась ВВС 1-й армейской группы.

22 июня в районе р. Халхин-Гол состоялось крупнейшее воздушное сражение продолжительностью 2,5 ч. Большая длительность и последовательное введение новых групп истребителей позволили оценивать это событие как три отдельных воздушных боя. С советской стороны участвовало от 95 до 106 самолетов (56 И-16 и 49 И-15бис), с японской — до 120 самолетов. По сообщениям советских летчиков, удалось сбить 31 истребитель противника, своих потеряли 11. По другим данным, лишились 14 машин, из них 13 И-15бис. Количество побед, засчитанных на долю пилотов «бисов», не определено.

В последующие дни воздушные сражения продолжались - соответственно, множились потери. 24 июня и 25 июня потеряно по два И-15бис, 26-27-го — 8 машин, 21 июля — 6 «бисов», 27, 28 и 29 по одному самолету (приведены только известные цифры на отдельные даты). Нужно отметить, что воздушный бой летом 1939 г. определялся как беспорядочная «собачья свалка», где каждому участнику приходилось в большинстве случаев действовать индивидуально и рассчитывать только на себя. В такой обстановке пилоты японских истребителей И-97 преднамеренно охотились за «бисами», которые являлись более легкой добычей, чем И-16 и только появившиеся И-153.

Уже в начале августа И-15бис практически не использовались в дневных воздушных боях. 6 машин короткое время применялись для ночного патрулирования. По состоянию на 20 августа в ВВС 1-й армейской группы насчитывалось 311 истребителей, из них 21 И-15бис: в 70-м ИАП — 2, в 22-м ИАП — 1, в 56-м ИАП — 18.

Всего за время боев на Халхин-Голе использовалось около 100 И-15бис. Боевые потери составили 56 машин, кроме этого, 2 «биса» потеряли в катастрофах и еще 5 были разбиты в авариях. К концу боев в строю оставались 15 таких самолетов, которые использовались в основном для тренировочных полетов.

Пара И-15бис взлетает с полевого аэродрома. Маленькая звездочка на вершине киля, вероятно, является отличительным знаком эскадрильи. 1939 г.

Обломки И-15бис из состава ВВС 57-го особого корпуса. Халхин-Гол, начало лета 1939 г. Предоставил А. Котлобовский

К началу боевых действий 30 ноября 1939 г. в ВВС четырех наземных армий, сосредоточенных у границы Финляндии, насчитывалось 805 самолетов-истребителей, из них доля И-15 и И-15бис составляла около 30%.

Распределение по типам и общая численность выглядели следующим образом:

Первый период боевых действий отличался сложными метеоусловиями, плохой видимостью, обилием снега. При сосредоточении значительных сил авиации не хватало аэродромов. В данных обстоятельствах самолеты И-15бис, обладавшие хорошими взлетно-посадочными характеристиками и установленные на неубираемое лыжное шасси, оказались наиболее приспособленными для ведения боевых действий. Они могли использоваться с ограниченных площадок и ледовых аэродромов. Основными задачами являлись ближняя разведка и атаки наземных целей в районе линии фронта. Сообщения о сбитых вражеских машинах редки. Например: «24 декабря капитан Сокол Константин Парфенович, командир 1 -й эскадрильи 38-го ИАП сбил в районе Мытиярви самолет Ю-21».

При выполнении боевых заданий отмечались случаи потери ориентировки и вынужденные посадки из-за отказа двигателей. При поступлении на фронт новых соединений доля И-15бис была незначительной, а использование самолета как истребителя ограниченным. Достаточно сказать, что действовавшая с 21 декабря 1939 г. с аэродромов в Эстонии особая авигруппа (ОАГ) имела на вооружении исключительно новые И-153.

События января-февраля 1940 г. происходили на фоне заметного улучшения погоды и соответствующего возрастания активности авиации. В этот период И-15бис выполняли задачи различного характера, но использование в качестве истребителя по-прежнему оставалось ограниченным. Тем не менее, сохранились донесения о сбитых самолетах противника. Так, «12 января звеном И-15сбит самолет...», «23 января звеном лейтенанта Конкина (группа полковника Филина) на И-15 в 3-4 км севернее Мятиярви сбит биплан-разведчик».

При оказании помощи окруженным частям 56-го стрелкового корпуса и 54-й стрелковой дивизии И-15бис использовались для сброса грузов. Для этого предназначались специальные десантные мешки ПД-ММ, однако большее распространение нашли импровизированные подвески. В частности, патроны прямо в ящиках подвешивали под нижним крылом на штатных бомбодержателях. Действовали экипажи в условиях плохой видимости, с малых высот, поэтому потери от наземного огня были ощутимыми.