Предсерийный И-15, окрашенный полностью в темно-оливковый цвет, сфотографирован в испытательном центре в Жуковском. Два небольших каплевидных обтекателя на нижнем крыле с правого борта имелись только на прототипах и предсерийных машинах, на серийных самолетах они были удалены.

Новые проекты самолетов начали появляться уже в конце 1933 года. Обозначение для множества спроектированных здесь самолётов составлялось следующим образом – сокращение «ЦКБ» и определенный номер (номер бригады), хотя позднее руководитель проекта/бригады мог уже возглавлять и собственное ОКБ.

В 1933 году, вскоре после начала производства на заводе Г АЗ-21 истребителей И-5, проектная бригада Поликарпова начала разработку его преемника – истребителя И-15.

В 1932 – 1933 гг. советские представители провели переговоры с американской фирмой Curtis-Wright. Результатом стало приобретение моторостроительного завода со всем оборудованием и лицензии на производство двигателей Wright SGR-1820 F-3 Cyclone мощностью 625 л.с. Под эти двигатели и был заказан Поликарпову новый истребитель.

Мощность «Райт-Циклона» составляла 625 л.с., что было почти на пятьдесят процентов больше, чем у двигателя М-22 (480 л.с.). М-22 был копией британского двигателя «Bristol Jupiter». Диаметр Wright SGR- 1820 F-3 Cyclone был меньшим, чем у М- 22, но весил он на 72 кг больше.

При помощи высококвалифицированных специалистов из Центрального Аэрогидродинамического института (ЦАГИ), советские авиаконструкторы были способны разрабатывать самолеты с прекрасной аэродинамикой, фактически их проекты были одними из наиболее передовых в мире на то время. Flo слабым местом советской авиационной промышленности 30-х годов являлось то, что в ней использовались иностранные двигатели. Все советские авиадвигатели, производящиеся в тот период, являлись лицензионными версиями французских, британских или американских оригиналов.

Вместо традиционного прямого верхнего крыла, как у биплана И-5, у нового проекта истребителя, Поликарпов применил крыло типа «чайка». Этот проект крыла был разработан впервые, во-первых чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление верхнего крыла и создать аэродинамическую интерференцию с фюзеляжем а, во- вторых, предоставить пилоту лучший обзор вперёд и вверх.

Крыло изготавливалось из сосны, как и на И-5, часть конструкции в месте сочленения крыла «чайки» и фюзеляжа была сделана из хромомолибденовой стали и алюминиевого сплава. Фюзеляж собирался из труб (хромомолибденовая сталь) сваренных между собой, передняя часть имела обшивку из листов дюралюминия, которая имела меньший вес, по сравнению с обшивкой на И-5. Хотя новый двигатель был тяжелее, чем М-22, первый прототип ЦКБ-3 имел пустой вес стандартного серийного И-5. Крыло типа «чайка» снижало нагрузку на крыло, тем самым существенно улучшая его характеристики.

Первый прототип нового истребителя получил обозначение ЦКБ-3. На нём стоял винт «Hamilton-Standard». В Советском Союзе, двигатель Wright SGR-1820 F-3 Cyclone именовался как, РСФ-3.

Вооружение ЦКБ-3 состояло из четырех синхронизированных пулемётов ПВ-1, калибра 7,62 мм, с прицелом ОП-1. На самолёте имелась возможность установки четырех бомбодержателей под крылом. Первый полёт был совершён в 23 октября 1933 года под управлением летчика-испытателя Валерия Павловича Чкалова.

18 ноября колеса на опытном истребителе заменили лыжами от самолета И-Z, а спустя пять дней произошла авария. 23 ноября 1933 года перед участниками Пленума Реввоенсовета проводили показательные полеты. В тот день на ярко-красном истребителе ЦКБ-3 в воздух поднялся Валерий Чкалов. Во время длительного пикирования со скоростью около 400 км/ч сорвалось ушко крепления растяжки левой лыжи, из-за чего лыжу развернуло поперек набегающего потока. Случай в те времена не редкий. Шансов на благополучное приземление не было. Самолет на посадке перевернулся, Чкалов не пострадал, но машина оказалась разбита.

В декабре 1933 г. подготовили второй опытный экземпляр ЦКБ-3, на котором летные испытания продолжились. Установленный на лыжи самолет развивал максимальную скорость у земли 324 км/ч, а на высоте 3000 м – 350 км/ч. Скороподъемность на высоту 5000 м составила 6,2 мин., время випажа всего 8 сек.

Члены наземной команды обслуживания помогают пилоту иного предсерийного И-15 (красный «3») подготовиться к полету. Тактический номер имел топкую белую обводку, национальные знаки имелись только на бортах фюзеляжа. Красные звезды знаков раннего стиля – с небольшим черным кругом, вписанным вовнутрь красной звезды.

Тем временем работы над опытной машиной продолжались. С целью повышения путевой устойчивости на ней увеличили площадь вертикального оперения. Несколько изменили форму кольца Тауненда, прикрывающего двигатель. В таком виде ЦКБ- 3 весной 1934 года направили для продолжения испытаний на аэродром Качинской летной школы под Севастополем.

Полеты в Каче начались 26 марта 1934 года и продолжались в течение месяца. В апреле, пользуясь хорошей крымской погодой, провели полные эксплуатационные испытания ЦКБ-3. Летчики-испытатели выполнили около 2100 фигур высшего пилотажа.и совершили 520 посадок.

Признавалось, что ЦКБ-3 полностью превосходит имеющиеся в СССР истребители, по маневренности и скороподъемности и опережает все известные иностранные машины, но по максимальной скорости на высоте 5000 м уступает некоторым иностранным образцам. Последний недостаток предлагалось устранить, и истребитель, как полностью удовлетворяющий требованиям ВВС, рекомендовать к серийному производству под обозначением И- 15. Строить самолет решили на двух московских заводах – № 1 и №39. Подготовка к серийному выпуску началась незамедлительно.

Производство И-15 началось в 1934 году выпуском установочной и первой серийной партии новых истребителей, оснащенных американскими двигателями Wright SGR- 1820 F-3 Cyclone, закупленных непосредственно в Соединенных Штатах.

Причина использования импортных двигателей состояла в том, что первые лицензионные двигатели, выпущенные в СССР под названием РСФ-3, не были такими надёжными как их американские оригиналы.

Новый авиамоторный завод построили в 1934 году в Перми на Урале. Поначалу пермские «Циклоны» собирались из американских деталей. В течение 1935 года предприятие, получившее название завод № 19, полностью освоило производство лицензионных двигателей, которые в соответствии с советской системой обозначений стали называться М-25. До конца года было выпущено 660 моторов.

В результате, первые И-15 выпускались с двигателем М-22, оснащенным карбюратором Stromberg NA-F7C и цельнометаллическим винтом В-22 диаметром 2,8 метра. Испытания истребителя с двигателем М-22 (480 л.с.) показали максимальную скорость в 450 км/час, что было равно скорости подемонстрированнойсамолетом ЦКБ-3 с двигателем Wright Cyclone, мощностью 630 л.с. Истребители с мотором М-22 внешне отличались только несколько изменённым воздухозаборником.