Изготовление опытного экземпляра на практике разворачивалось не столь стремительно, как задумывалось. Поликарпов в этот период являлся главным конструктором КБ, размещенного на территории авиазавода № 156. Завод № 1, где начали изготовление И-153, был загружен выпуском серийных И-15бис и работами по другим опытным машинам. Переписка Поликарпова того периода изобилует записями, свидетельствующими о его озабоченности медленным ходом строительства нового самолета и опасением, что «И-153 не обеспечен конструкторской опекой».
Рабочие чертежи на И-153 были готовы в мае 1938 г., в августе конструкторы закончили документацию для производства головной серии. В том же месяце построили и подготовили к полетам первый опытный И-153 № 5001 с двигателем М-25В. В ходе проведения летных испытаний, закончившихся в октябре, определились некоторые дефекты самолета: недостаточная жесткость крыльев, вибрация элеронов, тряска хвостового оперения. Недостатки были учтены на втором опытном И-153, дублере с заводским № 6005. На этом, более тщательно изготовленном экземпляре, с рулей высоты сняли флеттнер (сервокомпенсатор), сами рули уменьшили по площади (на 0,107%) и увеличили их осевую компенсацию (с 16,5% до 18%). Для устранения вибрации увеличили жесткость элеронов, а их весовую компенсацию довели до 25%. Изменения коснулись и винтомоторной группы: удлинили мотораму, поставили новые замки капота, протестированный бензобак. В стойках шасси шлицевое соединение заменили на двузвенники, использовали диски колес из сплава «электрон» и новый амортизатор костыля.
Осенью 1938 г. постановлением правительства на заводе № 1 организовали единое конструкторское бюро (взамен четырех ранее существовавших) по внедрению И-153 в серийное производство. Начальником этого КБ был назначен М.Н. Тетивкин, ранее занимавшийся внедрением в серию И-15бис.
Зимой вторую опытную «Чайку» отправили в 60-ю авиабригаду Закавказского военного округа, дислоцировавшуюся в районе г. Баку. В начале 1939 г. к полетам на И-153 № 6005 приступил испытатель НИИ ВВС Павел Федрови. Было решено, что это будут одновременно и войсковые испытания, к которым подключатся самолеты из войсковой серии. На первой тестируемой машине № 6005 выполнили 454 полета. Удалось достигнуть максимальной скорости 424 км/ч на высоте 3500 м, практического потолка – 8700 м, добиться набора высоты 5000 м за 6,4 мин, а выполнения виража за 11-12 с. Эти результаты оценивались как промежуточные, считалось, что более высокие показатели можно получить на доработанных самолетах с двигателями М-62.
