Lietadlá I-153 boli odosielané urýchlene na Ďaleký východ, kde sa odohrávali Japoncami vyprovokované pohraničné incidenty na hranici Mandžuska a Mongolska, ktoré v lete 1939 prerástli do ťažkých bojov (bitka o Chalchin Gol). Pre Japoncov bolo nasadenie týchto lietadiel prekvapením, pretože aj keď boli na prvý pohľad nerozoznateľné od I-15, dosahovali prekvapujúce výkony. I-153 zasiahli do vojny v zime 1939 vo Fínsko-sovietskej vojne. Stroje pomerne úspešne bojovali aj proti Nemcom počas bojov na východnom fronte. Na lietadlá Luftwaffe nestačili rýchlosťou, ale boli dobré v obratnosti, stúpavosti a jednoduchej pilotáži, čo im prinieslo menšie úspechy. I-153 slúžili v sovietskej protivzdušnej obrane až do roku 1944, vo fínskej armáde dokonca až do leta 1945. I-153 bola medzi pilotmi viac cenená ako jednoplošná I-16.