Появление нового советского истребителя было отмечено японской стороной. Спустя несколько дней после первых воздушных боев с участием И-153, токийская газета «Иомиури» писала о появлении у «красных» нового истребителя, ошибочно названного И-17.
В начале августа 1939 г. на фронт прибыла группа И-153 в составе 13 машин для прохождения войсковых испытаний в боевых условиях. Эти самолеты, которые сопровождала группа заводских специалистов во главе с инженером Каревым, поступили в 22-й авиаполк м-ра Кравченко. Истребители участвовали в боевых действиях с 9 августа по 6 сентября. Особенно жарко пришлось в период советского наступления с 25 по 30 августа. В отдельные дни доводилось выполнять по 5-6 боевых вылетов, а общий налет всех машин составил 572 ч. За время «командировки» были потеряны две машины. В этих испытаниях приняли участие самолеты с двигателями М-62. Почти все они были оснащены воздушными винтами фиксированного шага, и лишь один (N2 6071) – винтом изменяемого шага типа ВВ-1. Выяснилось, что эта машина имеет значительно меньшее время разбега – всего 6 с, тогда как остальным требовалось 15. В тоже время эти остальные «Чайки» могли при одинаковом количестве взятого топлива (225-230 кг) патрулировать в воздухе большее время, обычно 1 ч 40 мин, если не случалось воздушного боя.
Больше всего нареканий вызвали двигатели М-62, отличавшиеся ненадежностью и малым ресурсом, которые обычно приходилось менять через 60-80 ч налета. Были мелкие замечания по планеру, в т.ч. наблюдался обрыв несущих лент-расчалок. Особо отмечено было сильное задувание через ниши шасси – в случае пожара при отсутствии противопожарной перегородки летчик в считанные секунды получал сильные ожоги, не успевая ничего предпринять. Например, так произошло с летчиком Ковалевым.
К 20 августа 1939 г. общее количество истребителей в составе ВВС 1-й армейской группы выглядело следующим образом: 70-й ИАП – 77 И-16, 2 И-15, 30 И-153; 22-й ИАП – 82 И-16, 1 И-15, 13 И-153; 56-й ИАП – 64 И-16, 18 И-15, 24 И-153.
В целом «Чайка» по результатам боевых действий была признана неплохим самолетом, по крайней мере, японских машин, ее превосходивших, встречено не было. Отмечалось, что И-153 имеет преимущество в скорости и маневренности перед И-97 на всех высотах. Японский истребитель быстрее разгонялся на пикировании, чем неоднократно пользовались их пилоты.
Всего до окончания боевых действий в Монголию прибыло 70 И-153. За период с 28 июля по 15 сентября 1939 г. были потеряны 22 «Чайки» (см. таблицу).
