Dmitri Grigorovitš ja Nikolai Polikarpov suunnitteleman koneen ensimmäinen prototyyppi lensi 29. huhtikuuta 1930. Koneen sarjavalmistus alkoi vuonna 1932. Koneen suorituskyky parani huomattavasti Yhdysvaltain toimittaessa Wright Cyclone-moottoreita Neuvostoliittoon 1930-luvun alussa.
1936 lensi I-15 versio, jossa oli M-25-moottori ja joka tuli ilmavoimien käyttöön 1937. I-15bis koneita oli Kiinan käytössä sen torjuessa Japanin hyökkäystä vuonna 1937. Kaikkiaan 2408 hävittäjälentokonetta rakennettiin nimellä I-152.
Koneen uudempi versio oli Polikarpov I-153, joka osallistui ensi kerran sotatoimiin Khalkin-Golissa Japanin hyökätessä Neuvostoliittoa vastaan heinäkuussa 1939. Koneen moottorin teho oli 930 hevosvoimaa. Aseistuksena neljä 12,7 mm konekivääriä. Koeversioissa kokeiltiin paineistettua ohjaamoa, turboahtimia ja kiihdytykseen käytettäviä rakettimoottoreita. Koneessa oli sisäänvedettävä laskuteline.

