1932-ben rendszeresítették a Vörös Hadseregben, és 1939-ig a szovjet légierő alapvető vadász-típusaként alkalmazták. Ezután a modernebb I–15 váltotta fel. A vadászrepülő egységektől történt kivonása után több példányát vadászbombázónak építették át, további két géppuskát szereltek föl, és az alsó szárnyak alá két bombazárat építettek. Ezt a változatot I–5LS típusjellel is jelölték. Ukrajnában még a második világháború elején, a Barbarossa hadművelet idején is használták az akkorra már teljesen elavult típust.