Первые же годы эксплуатации И-5 выявили самое серьезное слабое место самолета – шасси. Из-за слишком высокой стойки при посадке в безветренную погоду И-5 мог развернуться «сам собой» или скапотировать. С июня 1932 года шасси И-5 по предложению инженера И.Ф. Петрова делали на 15 сантиметров ниже, со сдвинутой назад осью. Это принесло результаты, и вскоре все И-5 были переделаны под шасси Петрова, а сам он был награжден орденом Красной Звезды. Другой серьезной проблемой, с которой так и не смогли справиться, была тенденция И-5 к слишком позднему выходу из штопора.
Поскольку И-5 должен был стать самым массовым советским истребителем и полностью вытеснить старые машины – импортные, И-2, И-3 и И-4, – задание по его производству было передано также на авиазавод № 21. К концу 1932 года в авиачастях насчитывалось уже 143 самолета, в первую очередь они поступали в Ленинградский и Украинский военные округа, а с середины 1932 года шли в Отдельную Краснознаменную Дальневосточную армию, прикрывавшую Забайкалье. Но темпы производства самолета сильно отставали от теоретических планов. С 1933 года машину предполагалось строить уже в улучшенном варианте, получившем индекс И-5бис. Внешне ее легко можно было отличить по обтекателям на шасси, дюралевому винту и усиленному вооружению – четыре пулемета ПВ-1, четыре бомбы. Расплачиваться за модернизацию пришлось повышением массы, теперь истребитель весил больше тонны. Ухудшились маневренность и скороподъемность, а на большой высоте и скорость. Словом, каждый плюс И-5бис перекрывался минусом, и в итоге эта версия не была одобрена к производству.
Только в конце 1935 года И-5 удалось занять лидирующие позиции в советской истребительной авиации – в ВВС насчитывалось 343 таких самолета. Служили они по-прежнему в частях Ленинградского и Украинского округов, в Забайкалье и на Дальнем Востоке, некоторое количество машин поступило в части, расквартированные в Белорусском и Московском военных округах. Если сравнить И-5 со среднестатистическими зарубежными истребителями начала 1930-х, то выяснится, что советский самолет нельзя было отнести к категории выдающихся машин. Он сильно проигрывал своим западным «одноклассникам» в мощности, скорости на большой высоте и скороподъемности. Однако в вооружении И-5 был равноценен, на небольших высотах не уступал также в скоростных характеристиках и безусловно побеждал конкурентов в маневренности – очень важном для истребителя качестве. Это главное преимущество сохранили и последующие истребители Поликарпова, И-15 и И-16, которые фактически продолжили линию, начатую И-5.
Как и у почти всех других советских самолетов, созданных в конце 1920-х – например, ТБ-1 или Р-5, – век И-5 в качестве «строевой» машины оказался крайне недолгим. И дело здесь было не в каких-то принципиальных недостатках, а в неимоверно быстрых темпах развития авиации. Уже летом 1933-го было испытано следующее поколение истребителя-биплана – И-15, который был намного совершеннее. Аналогичный процесс шел в Европе, где поколение истребителей-бипланов 1933–1934 годов (немецкий «Heinkel 51», итальянский «FIAT CR.32») уже сильно опережало И-5 по всем показателям, а с 1935–1936 годов преобладающей в классе истребителей стала монопланная схема. Очень важным показателем становилась скорость полета, которая росла не только у истребителей, но и у бомбардировщиков, и у пассажирских самолетов. Поэтому И-5 устаревал буквально с каждым днем. В 1934 году его выпуск прекратился.
Тем не менее самолеты какое-то время еще продолжали службу в боевых частях, хотя их количество и сокращалось. В 1934 году именно с И-5 впервые была произведена стрельба реактивными снарядами, которые затем успешно применялись в годы Великой Отечественной. Также И-5 может считаться и первым отечественным пикирующим бомбардировщиком – на маневрах 1935 года с маленького самолета в пикировании сбрасывались 250-килограммовые бомбы. И-5 были составляющими проекта «Звено»: на «Звене-1» два самолета крепились к крылу бомбардировщика ТБ-1, а на «Звене-2» ТБ-3 нес два истребителя на крыльях и один под фюзеляжем.
Если еще в 1935-м, как мы помним, И-5 составляли основной «массив» истребительной авиации СССР, то уже с 1936 года начался такой же массовый перевод их в летные школы. В итоге в рядах ВВС к 1938-м оставалось буквально несколько самолетов, но в качестве учебных машин в летных школах они активно использовались и накануне Великой Отечественной войны.