После удручающих результатов первых воздушных боев вышел приказ наркома обороны, запрещавший дальнейшие действия советской авиации по причине ее неподготовленности. 26 мая 1939 г. 70-й ИАП перебазировали в Баин-Тумэн для укомплектования новой материальной частью и летным составом. 29 мая к месту боевых действий на трех «Дугласах» вылетели 40 опытных летчиков-истребителей под командованием Я.В. Смушкевича. В дальнейшем летчики этой группы руководили подготовкой и ведением боевых действий прежде всего истребительной авиации. Боевых вылетов не велось вплоть до 17 июня 1939 г. К концу месяца 70-й ИАП насчитывал 60 И-16 и 24 И-15бис, 22-й ИАП — 35 И-16 и 32 И-15бис. Советская авиация в Монголии к тому моменту именовалась ВВС 1-й армейской группы.
22 июня в районе р. Халхин-Гол состоялось крупнейшее воздушное сражение продолжительностью 2,5 ч. Большая длительность и последовательное введение новых групп истребителей позволили оценивать это событие как три отдельных воздушных боя. С советской стороны участвовало от 95 до 106 самолетов (56 И-16 и 49 И-15бис), с японской — до 120 самолетов. По сообщениям советских летчиков, удалось сбить 31 истребитель противника, своих потеряли 11. По другим данным, лишились 14 машин, из них 13 И-15бис. Количество побед, засчитанных на долю пилотов «бисов», не определено.
В последующие дни воздушные сражения продолжались - соответственно, множились потери. 24 июня и 25 июня потеряно по два И-15бис, 26-27-го — 8 машин, 21 июля — 6 «бисов», 27, 28 и 29 по одному самолету (приведены только известные цифры на отдельные даты). Нужно отметить, что воздушный бой летом 1939 г. определялся как беспорядочная «собачья свалка», где каждому участнику приходилось в большинстве случаев действовать индивидуально и рассчитывать только на себя. В такой обстановке пилоты японских истребителей И-97 преднамеренно охотились за «бисами», которые являлись более легкой добычей, чем И-16 и только появившиеся И-153.
Уже в начале августа И-15бис практически не использовались в дневных воздушных боях. 6 машин короткое время применялись для ночного патрулирования. По состоянию на 20 августа в ВВС 1-й армейской группы насчитывалось 311 истребителей, из них 21 И-15бис: в 70-м ИАП — 2, в 22-м ИАП — 1, в 56-м ИАП — 18.
Всего за время боев на Халхин-Голе использовалось около 100 И-15бис. Боевые потери составили 56 машин, кроме этого, 2 «биса» потеряли в катастрофах и еще 5 были разбиты в авариях. К концу боев в строю оставались 15 таких самолетов, которые использовались в основном для тренировочных полетов.
