1939年に始まったフィンランドとの冬戦争ではソ連の主力機であった。後に独ソ戦で捕獲されたI-153はフィンランドに送られ、フィンランド軍機として、継続戦争でソ連と戦った。後継機のI-16の登場後も長らく第一線機として運用されていたが、独ソ戦緒戦で多くのI-153は地上で破壊された。I-153の多くは、戦闘機としての運用の他に爆弾を搭載してシュトゥルモヴィーク(対地攻撃機)としても運用された。ソ連では、I-153を操る撃墜王も何人も誕生した。