В истории советской авиации не особенно удачный биплан И-15 бис остался в том числе как первый советский самолет, на котором был опробован реактивный двигатель – точнее, прямоточный воздушно-реактивный двигатель ДМ-2 конструкции И. Меркулова. Два таких легких (всего по 19 килограммов) мотора установили под нижним крылом И-15 бис, чью хвостовую часть обшили металлом. 25 января 1940 года на Центральном аэродроме Москвы летчик Петр Логинов поднял машину в воздух и уже во время полета включил реактивные двигатели – тогда они воспринимались как дополнительные. Однако испытания вызвали сильнейшую панику на земле: москвичи, наблюдавшие за полетом и увидевшие длинные языки пламени, решили, что истребитель загорелся, и на аэродром были вызваны сразу несколько пожарных машин. В дальнейшем было проведено еще 53 опытных полета И-15 бис с ПВРД. Но прирост скорости реактивный двигатель давал небольшой – примерно на 20 километров в час.
Понимая, что И-15 бис был создан фактически под давлением ВВС, Поликарпов параллельно с ним разработал проект коренной модернизации И-15, причем в двух вариантах – как с ровным верхним крылом, так и с «чайкой». Машина готовилась на основе плотных консультаций с боевыми летчиками, прошедшими через гражданскую войну в Испании. Для И-153 (т. е. И-15, 3-е поколение) предлагался куда более мощный новый двигатель М-62, убирающееся шасси, позволившее резко увеличить скорость, и новые пулеметы ШКАС, из которых два планировалось сделать съемными. В целом это был максимально легкий, мощный и скоростной вариант семейства И-15, сохранивший все достоинства первого самолета. Проект был утвержден управлением ВВС в ноябре 1937 года, но освоение новинки затягивалось из-за того, что заводы, где предполагалось его производство, были заняты выпуском И-15 бис. Только в августе 1938-го был готов первый И-153, а дальше началась долгая и мучительная эпопея с испытаниями и доводкой нового истребителя: он оказался прямо-таки «переполнен» дефектами, от недостаточной жесткости крыльев и вибрации оперения до плохого выхода из штопора. Поэтому на протяжении 1939–1940 годов машину усиленно дорабатывали, тщательно испытывая в различных условиях.
В целом И-153 был возвращением к схеме И-15 – на нем тоже было применено крыло «чайка», что и обусловило популярное название этого истребителя. Размерами И-153 был сопоставим с И-15: длина – 6,2 метра, размах верхнего крыла – 10 метров, нижнего – 7,5 метра. Взлетная масса была намного большей – 1859 килограммов. Но 1000-сильный двигатель М-62 и убирающиеся шасси обеспечивали И-153 скорость, несравнимую с машинами 1-го поколения, – 426 километров в час. Да и вооружение, как говорилось выше, было полностью обновленным. Кроме того, было построено 150 «Чаек» с крупнокалиберным пулеметом БС и двумя ШКАСами и 8 пушечных И-153П, оснащенных 20-миллиметровыми авиапушками ШВАК, а свыше четырехсот «Чаек» оборудовали установками для запуска реактивных снарядов РС-82. Штурмовик И-153Ш мог нести двадцать легких бомб.
И-153 «Чайка» стал еще более массовой машиной, чем И-15 бис. В 1939 году было собрано 1011 самолетов (причем перевес над объемами производства И-15 бис был достигнут лишь в третьем квартале года), в 1940-м – 2362 и в 1941-м – 64.
В Испании «Чайки» не успели повоевать по простой причине – в это время они еще испытывались. Их боевым дебютом стал Халхин-Гол, а самым известным летчиком, воевавшим там на И-153, был Герой Советского Союза Сергей Иванович Грицевец. Семьдесят машин, воевавших на Халхин-Голе, получили высокую оценку как советских, так и японских летчиков. Во время советско-финляндской войны «Чайки» тоже проявили себя отлично, показав себя достойным противником финских истребителей «Fokker D.XXI».
На начало Великой Отечественной войны истребители семейства И-15 еще составляли немалый процент среди боеспособных самолетов советской авиации. Более старых И-15 бис насчитывалось 268. Они базировались на аэродромах в Литве, Латвии, Белоруссии и Украине, и многие такие машины погибли на рассвете 22 июня 1941-го от бомб и артиллерийского огня противника. Однако те, что уцелели, успешно применялись в качестве штурмовиков, причем за отчаянную храбрость пилотов И-15 бис называли «бисенята». Применялись такие самолеты также в авиации флотов. 12 августа 1941 года капитан Митрофан Петрович Краснолуцкий на своем И-15 бис таранил «Messerschmitt 109», отрубив ему нижним крылом хвостовое оперение, причем советский истребитель сохранил управляемость и смог сесть на свой аэродром (впоследствии М.П. Краснолуцкий стал Героем Советского Союза). А 7 октября 1941 года капитан Г.И. Агафонов на своем И-15 бис сбил над Мариуполем два истребителя «Messerschmitt 110» и два бомбардировщика «Junkers 88».