За противопожарной перегородкой стоял протестированный бензобак емкостью 316 л (240 кг). Для увеличения радиуса действия самолеты поздних серий могли нести на бомбодержателях по два каплевидных фибровых сбрасываемых 100-литровых бака ПГЛБ-100 (впервые испытаны в октябре 1939 г., внедрены на серийных самолетах – с ноября).
Вся передняя часть машины до козырька пилотской кабины была обшита листами сплава Д1, которые могли сниматься при техническом обслуживании истребителя.
За бензобаком находились короба с патронами и открытая кабина летчика. Для входа в последнюю нужно было откинуть вниз боковую створку. От набегающего потока голову пилота защищал трехгранный козырек из оргстекла. Чашка пилотского кресла предусматривала укладку парашюта. В боевой обстановке устанавливалась стальная бронеспинка толщиной 9 мм. В остальное время ее можно было заменить значительно более легкой дюралевой.
Оборудование кабины было традиционным для советских истребителей того времени:' набор самых необходимых приборов, ручка управления, педали и т. п. Управление рулями высоты и элеронами – жесткое, системой тяг И качалок, а рулем поворота – тросами.
Гаргрот начинался сразу после заголовника сиденья и доходил до оперения. Каркас гаргрота образовывали приподнятые над несущей фермой части шпангоутов и довольно частый набор стрингеров. В передней части гаргрота имелся небольшой отсек,где хранилась сумка с инструментами. Гаргрот, как и вся задняя часть фюзеляжа, обтягивался полотном.
Пространство в фюзеляже от сиденья летчика до хвостового оперения было практически пустым. В самой задней части, внизу, находилось усиленное по кромкам сквозное отверстие, через которое при необходимости поднять хвост самолета пропускался лом.
Стык оперения с фюзеляжем прикрывали зализы из листов сплава Д6. Киль, стабилизаторы и рули имели дюралевый каркас и полотняную обтяжку. Стабилизаторы поддерживались V-образными подкосами. На руле поворота стоял флеттнер.
На первых сериях И-153 устанавливались моторы М-25В (фактически только на машинах для войсковых испытаний – 18 экземпляров), затем начали монтировать М-62 и М-63 (и те, и другие – с апреля 1939 г.). Эти двигатели воздушного охлаждения являлись дальнейшим развитием выпускавшегося в СССР по лицензии американского мотора Райт SR-1820-F3 "Циклон" – однорядной 9-цилиндровой "звезды". Габариты и веса этих двигателей были очень близки, поэтому капот и моторама не изменялись. М-25В (взлетная мощность 775 л. с.) имел односкоростной нагнетатель; М-62 с двухскоростным нагнетателем обеспечивал не только большую мощность (1000 л. с. на взлетном режиме за счет форсирования по наддуву), но и лучшие высотные характеристики. При этом в конструкцию мотора внесли ряд усовершенствований – в частности, улучшили охлаждение головок цилиндров за счет развития оребрения. На М-63 внедрили новый карбюратор и еще раз форсировали двигатель, теперь уже и по наддуву, и по оборотам; взлетная мощность при этом достигла 1100 л. с.
