Первый из трех прототипов покинул сборочный цех в октябре 1938 года. После завершения заводских испытаний он был передан в НИИ ВВС. В ходе проходивших испытаний, один из прототипов потерпел аварию, и расследование ее причин показало, что она была связана с перегреванием двигателя, приведшего к его поломке. Эта проблема также была решена Микояном, который в тот период работал в КБ Поликарпова.

Тогда как все серийные И-152 оснащались прицелом ОП-1, ЦКБ-3тер, и все серийные И-153 получили более совершенный прицел ПАК-1 (прицел авиационный коллиматорный), который был, фактически, копией французского прицела «Clair». После успешных испытаний, ЦКБ-3тер был рекомендован для серийного производства под обозначением И-153.

Немецкий солдат осматривает скапотировавший И-153 (тактический номер – «4», белый). Колеса основного шасси отсутствуют, самолет имеет серьезные повреждения нижнего крыли в районе установки бомбодержателей. На И-153 устанавливалось хвостовое колесо, тогда как на более ранних истребителях И-15 и И-152 стоял костыль.

Весной 1939 года, первые серийные экземпляры нового истребителя, получившего обозначение И-153, начали покидать сборочные цеха авиазаводов № 1 и №156.

В ходе испытания машин первой серии в НИИ ВВС они продемонстрировали следующие летные характеристики: скорость 368 км/час на уровне моря и 424 км/час на высоте 3500 м. Это было приблизительно на 41- 45 км/час больше чем у более ранних И-152 и на 20- 30 км/час ниже, чем у истребителя-моноплана И-16. Новый И-153 совершал полный разворот за 11-12 секунд, достигал высоты 5000 м за 6,5 минут, и имел потолок 8700 м.

Опытные ЦКБ-3тер отличались от ранних серийных И-153 рядом деталей. С левой стороны в нижней части капота (над нишей колеса основной стойки шасси) был добавлен еще один выхлопной патрубок. Три опытных самолета и некоторые предсерийные И-153 имели по одному бомбодержателю под каждым нижним крылом, тогда как серийные И-153 имели по два бомбодержателя под каждым крылом. Если опытные ЦКБ-3тер имели один выхлопной патрубок в нижней части капота, то серийные И- 153 имели здесь же два патрубка. Ранние серийные машины имели небольшой кок воздушного винта, в то время как на большинстве серийных вариантов кок отсутствовал.

На наиболее ранних серийных вариантах самолета была предусмотрена возможность установки радиостанции РСИ-3 с антенной мачтой расположенной на внутренней панели правого верхнего крыла, и небольшим узлом крепления, установленным на кончике стабилизатора. Часто, только командирские И-153 оборудовались, и передатчиком и приемником, тогда как остальные самолеты имели только приемники или вообще не имели никакого радиооборудования.

Первые партии самолетов оснащались двигателями М-25В, мощностью 775 л.с., позднее на И-153 стал устанавливаться более мощный (1 000 л.с.) двигательМ-62. Двигатель М-62 являлся советской копией американского авиационного двигателя Wright- Cyclone R-1820 G-5. Если мотор М-25В имел односкоростной нагнетатель, то М-62 оснащался уже двухскоростным нагнетателем, и благодаря этому имел лучшие высотные характеристики. Использование двигательной установки на базе М-62 привело к увеличению массы самолета примерно на 50 кг. Сухой вес мотора М-25В равнялся 459 кг, тогда как мотор М-62 весил 506 кг. Большинство И-153 имели переднюю панель капота с жалюзи охлаждения, но иногда в боевой обстановке жалюзи демонтировались, чтобы улучшиться охлаждение двигателя.

Когда Вермахт захватил передовые советские аэродромы, предварительно разбомбленные Люфтваффе, на них оказались сотни разбитых И-153. Эти самолеты сфотографированы на краю летного поля под Минском.

Ряд И-153 на минском аэродроме в Белоруссии, 1941 год. Самолеты ободраны трофейными командами. Серебристый зимний камуфляж не распространялся на верхние поверхности крыла – здесь (согласно довоенным правилам) нанесены красные звезды.

Другой распространенной полевой модификацией был демонтаж створок, прикрывающих ниши шасси, так как они часто повреждались в результате грубой посадки. В зимний период часть И-153 оборудовались посадочными лыжами. При установке лыж створки ниш шасси демонтировались, а сами ниши шасси закрывались металлическими панелями.

Вооружение самолета состояло из четырех пулеметов LLIKAC калибра 7,62 мм, с боезапасом по 650 патронов на ствол. На машинах поздних серий ручное перезаряжание пулеметов было заменено пневмосистемой. Все И-153 имели по два бомбодержателя под нижними крыльями, на которые можно было подвешивать груз до 100 кг. Бомбодержатели были рассчитаны на подвеску двух 50 кг бомб, четырех 25 кг, восьми 10 кг бомб. Типы бомб – АО-10, АО-20М, ФАБ-50М или химические бомбы ЧАВ-25 и АОЧ-15 (с горчичным газом или фосгеном).

Кроме химических бомб, на бомбодержатели И-153 также могли подвешиваться устройства для распыления химических веществ ВАП-6М (выливной авиационный прибор). ВАП-6М весил 10,2 кг и вмещал 38 литров горчичного газа или фосфора. Требовалось три-четыре секунды, чтобы распылить химические вещества из контейнеров над вражескими войсками. Такой же контейнер, как и для химических средств, использовался и в устройстве для сброса напалма – ЗАП-6 (зажигательный авиационный прибор), который также мог подвешиваться на И-153.

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.