И-15 являлся одностоечным расча-лочным полуторапланом смешанной конструкции с верхним крылом типа «чайка» и неубираемым шасси. Каркас фюзеляжа сваривался из стальных труб. От двигателя до кабины он был обшит дюралем, а далее – полотном. Крылья деревянной конструкции обтягивались полотном. Каркас хвостового оперения – дюралевый, а обшивка – полотняная. В кабине летчика бронеспинка отсутствовала, однако на самолетах испанской сборки она устанавливалась, как и на части машин, прибывших из СССР. Четыреста четыре И-15 были оснащены 9-цилиндровыми двигателями воздушного охлаждения М-22 (лицензионный вариант британского Bristol Jupiter VI) мощностью 480 л. с. На остальных машинах, в т. ч. испанской сборки, стояли М-25 (лицензионные американские Wright Cyclone R-1820-F-3) в 715 л. с. Двигатели закрывались кольцом Тауненда. На большинстве И-15 применялись винты постоянного шага, но некоторые получили изменяемого – ВИШ-6. Вооружение состояло из двух либо четырех 7,62-мм синхронных пулеметов ПВ-1 с общим боезапасом 2000 выстрелов. На части испанских И-15 они были заменены на более современные ШКАСы. Некоторые советские машины в 1938 г. получили вместо старых пулеметов два 12,7-мм БС. Для ведения огня использовался прицел ОП-1. Под нижним крылом могли устанавливаться 4 бомбодержателя для бомб общей массой 40 кг, однако в перегрузку можно было брать две 50-кг АБ. К концу своей карьеры И-15 получили пусковые для 4-6 НАР РС-82.
На базе истребителя было создано несколько опытных машин:
– И-15 с прямым центропланом верхнего крыла;
– специально облегченный ЦКБ-3, на котором В. К. Коккинаки 21 ноября 1935 г. установил неофициальный (СССР тогда не был членом ФАИ) мировой рекорд высоты – 14575 м;
– И-15 с гермокабиной конструкции Поликарпова;
– И-15 с гермокабиной мягкого типа конструкции А. Я. Щербакова;
– И-15ТК – самолет с двигателем М-25Е и 2 турбокомпрессорами ТК-1, развивавший на высоте 8100 м скорость 410 км/ч.
В 1938 г. началось серийное производство самой массовой версии истребителя, получившей обозначение И-15бис (И-152). Для улучшения обзора вперед и в стороны на самолете применили прямой центроплан верхнего крыла, кроме того, усилили планер, а также оснастили машину двигателем М-25В мощностью 750 л. с, капотом NASA, обтекателями колес и 9-мм бронеспинкой. Вооружение соответствовало И-15, но в ходе эксплуатации на части истребителей ПВ-1 заменили ШКАСа-ми. На некоторых И-152 устанавливались 2 крупнокалиберных БС. Под нижнее крыло можно было подвешивать до 150 кг различных бомб либо четыре НАР РС-82, либо два 80-л ПТБ. В общей сложности до 1939 г. выпустили 2170 экземпляров. Был построен также один опытный двухместный учебно-тренировочный истребитель ДИТ.
