Самолет И-15 обладал для своего времени хорошей аэродинамикой и рационально выбранными параметрами компоновки. Хорошая энерговооруженность, обеспечиваемая в широком диапазоне высот достаточно мощным двигателем М-22 (мощность 480 л.с.) с нагнетателем, отличные пилотажные качества, малый вес конструкции и довольно эффективное вооружение обеспечивали высокую боеспособность И-15. За характерную форму верхнего крыла истребитель И-15 часто называли Чайкой. Однако, начиная с самого первого, опытного образца, отношение к И-15 было неоднозначным. Изогнутое верхнее крыло типа чайка, примененное с целью уменьшения лобового сопротивления и улучшения обзора, не получило единодушного одобрения у военных. В 1935 г. было принято решение прекратить серийный выпуск истребителя И-15. Н.Н. Поликарпову предложили коренным образом улучшить самолет и ввести в схему машины новый (нормальный) центроплан. И-15 бис (И-152), подготовленный к серийному выпуску осенью 1937 г., был именно таким, каким его желали видеть военные. Конструкцию всего самолета усилили. Был установлен более мощный 9-цилиндровый двигатель М-25В (750 л.с.) с односкоростным нагнетателем. Самолет стал тяжелее на 300 кг, из-за чего ухудшились его маневренность и, несмотря на рост мощности, скороподъемность. По сравнению с Чайкой, увеличилось аэродинамическое сопротивление верхнего крыла. Тем не менее по характеристикам маневренности и скороподъемности И-15 бис был одной из лучших машин своего времени. Несмотря на то, что истребитель И-15 бис оказался явно устаревшим уже к началу своего производства, он все же стал участником нескольких войн. Самолет применялся во время боевых действий в Испании, Китае и на Халхин-Голе, а также активно использовался в первые месяцы Великой Отечественной войны в качестве штурмовика (до 1942 г.). Всего было построено 2408 машин И-15 бис. В 1939 г. серийное производство самолета было прекращено, и заводы перешли на выпуск истребителя И-153.