Первые двадцать самолётов И-153 приняли участие в боях на реке Халхин-Гол в начале июля 1939 года. В первом столкновении японские истребители совершили ошибку, приняв И-153 за И-15 и понесли потери, но уже тогда нёс большие потери и мог применяться только совместно с И-16.