В августе 1936 года был назначен на должность командира авиационного отряда (102-я тяжёлая авиационная эскадрилья, 101-я авиационная бригада), дислоцированного на станции Домно, в апреле 1938 года — на должность командира эскадрильи 32-го скоростного бомбардировочного авиационного полка, дислоцированной на станции Бада, а в июле 1939 года — на должность командира эскадрильи 150-го скоростного бомбардировочного авиационного полка (100-я авиационная бригада, 57-й особый корпус), дислоцированной в Монгольской Народной Республике. Участвовал в боевых действиях на Халхин-Голе. За личное мужество и умелое командование эскадрильей Иван Семёнович Полбин награждён орденом Ленина.