Также как и И-15 «Чато», которые уже находились в Испании, новые И-152, получали на фюзеляже тот же код «СС» (Caza Chato /истребитель «Чато»). В период его краткой службы в республиканских ВВС, новый истребитель получил полуофициальное название – «Суперчато».

Один И-152 пилотом которого был Альфредо Деальберт (Alfredo Dealbert), был разбит в результате столкновения с топливозаправщиком. Другой истребитель потерпел аварию, когда его пилот не смог вовремя выйти из крутого пикирования. Из оставшихся самолетов было сформировано три эскадрильи по девять самолетов, остальные оставлены в резерве.

И-152 ДМ-2 был оборудован двумя прямоточными воздушно-реактивными двигателями ДПМ-2, подвешенными под нижним крылом.

Этот И-152, установленный на лыжи, оснащен ПТБ – дополнительным топливным баком, подвешенным по продольной оси фюзеляжа, между стойками шасси. Эта модификация не была запущена в производство.

Подразделение под командованием Эмилио Галера Масиас (Emilio Galera Macias) достигло боеготовности уже на заключительном этапе гражданской войны в Испании. Его И-152 участвовали в нескольких штурмовых ударах перед перелетом в Вилаурига (Vilajuiga) для эвакуации во Францию. В течение их краткой службы, эти И-152 не понесли никаких потерь в боевых действиях и не имели столкновений с вражескими истребителями.

Перед рассветом 5 февраля 1939 года, И-152 пересекли Французскую границу и без происшествий приземлились на аэродроме в Каркассоне (Carcassone), Южная Франция. Первоначально было запланировано перегнать И-152 в Toulouse-Francazal, но из-за сложных метеорологических условий, командир подразделения, Эмилио Галера Масиас решил лететь в Каркассон (Carcassone). В период заключительных боев в Каталонии, которыми окончилась гражданская война, большое количество ящиков, содержащих несобранные самолеты, в том числе и истребители И-152, были переданы республиканцам через французскую границу, но уже не было времени, для того чтобы собирать самолеты, и они были возвращены обратно во Францию, чтобы предотвратить их использование националистами.

В соответствии с соглашением Джордана- Берардо (Jordana-Berard), двадцать И-152 были возвращены Испании. Им присвоили код «2W», который был впоследствии изменен на «С.9» (Caza Tipo 9/истребитель тип 9). Эти самолеты был распределены в Grupo 24 из Regimiento Caza 23 базировавшегося в Реус (Reus). Они служили на авиабазе Ejercito del Aire пока не были списаны в 1954 году.

Двухместный тренировочный самолет ДИТ-2 имел кабину для курсанта, размещенную перед стандартной кабиной. ДИТ-2 был оборудован прицелом ПАК-1, который сменил старый ОП- 1, использовавшийся на И-152.

Двухместный тренировочный самолет ДИТ-2 имел кабину для курсанта, размещенную перед стандартной кабиной под задней кромкой крыла. Вырез в задней кромке верхнего крыла обеспечивал более удобный доступ к передней кабине. Прицел был установлен в переднем козырьке.

На испанских И-152, которые использовались для обучения и тренировок, снималось вооружение, прицел ОП-1 и устанавливался новый плоский козырек кабины. Имелся и ряд полевых модификаций, проводившихся на И- 152, когда они служили на авиабазе Ejercito del Aire. На элеронах верхнего крыла был добавлен триммер, строевой огонь на законцовках крыла был модифицирован – одиночным строевой огонь, был заменен строевыми огнями на верхней и нижней сторонах верхнего крыла. Не все испанские И-152 имели подобную модификацию, имелось несколько самолетов которые имели одиночный строевой огонь на верхней поверхности верхнего крыла. Большинство учебных И-152 не имели обтекателей на колесах шасси, а на некоторых снимался и кок воздушного винта.

В течение многих месяцев министр иностранных дел СССР Вячеслав Молотов оказывал давление на финское правительство, с целью добиться от него уступки Советскому Союзу полосы земли в южной Финляндии, вблизи Ленинграда. Переговоры зашли в тупик и 30 ноября 1939 года, Сталин санкционировал вторжение в Финляндию.

Военные действия завершились 13 марта 1940 года, когда советские войска прорвали укрепленную линию Маннергейма. В результате финнам пришлось уступить СССР буферную зону, которой он так добивался.

Этот опытный ЦКБ-3тер (серийный номер 8019) использовался для изучения штопорных характеристик в ходе заводских испытаний. Испытания проводились в период с 27 июня по 4 августа 1940 года летчиком-испытателем А.И.Жуковым.

Один из опытных ЦКБ-3тер в ходе испытаний, проводящихся зимой 1938-39 годов. Самолет имеет триммеры на элеронах верхнего крыла. Система выхлопа опытной машины отличилась от более ранних И-152, на ней вместо коллекторного кольца устанавливались индивидуальные выхлопные патрубки на капоте двигателя.

Потери советских военно-воздушных сил в ходе «зимней войны» были огромны, составляя приблизительно 700- 900 самолетов, сбитых и потерянных в летных происшествиях или вследствие нарушения норм эксплуатации. В ходе «зимней войны» в период между ноябрем 1939 года и мартом 1940 года, финнами были захвачены в обшей сложности пять И-152, которые совершили вынужденную посадку на финской территории. Два из пяти самолетов были переданы в Lentolaivue 29, учебно-резервную эскадрилью финских ВВС. После заключения перемирия, остальные самолеты также были включены в состав финкой авиации как учебные машины. После расформирования Lentolaivue 29, его самолеты был переданы в Lentolaivue 34.

Позже, Lentolaivue 34 был также расформирован, и И-152 были переданы как тренировочные самолеты в Taydennyslentolaivue 35, а два самолета в конце 1942 года были помещены на базу хранения. В середине 1943 года, три самолета были переданы вновь восстановленному Lentolaivue 34 как буксировщики целей. После войны, самолеты были помещены на авиационный склад на хранение. Последний полет И-152 на службе в финских ВВС совершил 12 марта 1945 года.

Два первых финских И-152 первоначально имели регистрационные номера «VH-Ю» и «VH-11», в то время как остальным трем бипланам были присвоены серийные номера с «VH-З» до «VH-5». В конце 1940 года, самолеты «VH-Ю» и «VH-11» были переобозначены как «VH-1» и «VH- 2». 4 июня 1942 года, недоразумения в нумерации трофейных военных самолетов было исправлено, и им присвоили серийные номера «1Н-Ь›- «1Н-5».