Letadla I-153 byla odesílána urychleně na Dálný východ, kde se odehrávaly Japonci vyprovokované pohraniční incidenty na hranici Mandžuska a Mongolska, které přerostly v létě 1939 v těžké boje. Pro Japonce bylo nasazení těchto letadel překvapením, protože ač byly na první pohled nerozeznatelné s I-15, dosahovaly překvapujících výkonů. I-153 zasáhly do války v zimě 1939 ve Finsko-sovětské válce. Stroje bojovaly i proti Němcům ve Velké vlastenecké válce poměrně úspěšně. Na letouny Luftwaffe nestačily rychlostí, ale byly dobré v obratnosti, stoupavosti a snadné pilotáži, což jim přineslo úspěchy. I-153 sloužily v sovětské protivzdušné obraně až do roku 1944, ve finské armádě dokonce až do léta 1945.