De I-153 werd als eerste ingezet bij de Slag bij Halhin Gol in Mongolië. Het Japanse gevechtsvliegtuig Nakajima Ki-27(type 97) bleek een grote tegenstander te zijn voor de I-15's en I-16's, maar de I-153 was een waardige tegenstander. Terwijl de prestaties van de I-153 bevredigend waren, bleek er nog een probleem te zijn. Er was geen bescherming tussen de piloot en de benzinetank, die voor de cockpit was gemonteerd. Als deze vlam vatte spreidde dit snel naar de cockpit en verwondde zodoende ook de piloot. Daarnaast had de motor ook maar een levensduur van 60 tot 80 uur, doordat het apparaat dat voor extra luchttoevoer zorgde niet goed functioneerde.