И-15 сражались почти до окончания гражданской войны в Испании. Среди испанских летчиков наиболее результативным был командир 2-й эскадрильи истребителей И-15 Л. Рубио, одержавший 21 победу. Среди пилотов, одержавших от 5 до 8 и более побед, были: испанцы А. Лакалье и М. Самбудио, американцы А. Баумлер, Дж. Пек, О. Белл и Г. Дал, австрийцы Т. Добиас и В. Корроуз, серб Б. Петрович, советские добровольцы А. Серов, М. Якушин, П. Рычагов, Е. Степанов, Е. Кондрат, А. Осипенко, А. Осадчий, А. Ковалевский, Г. Захаров, В. Туржанский и др. В декабре 1938 – январе 1939 г. в авиационных частях республиканцев появилась первая партия из 31 истребителя И-15бис.
В конце 1937 г. партия из 93 истребителей И-15бис была передана центральному правительству Китая, и в первых же воздушных боях советские истребители показали свое преимущество над японскими истребителями-бипланами «Кавасаки» Ки-10. Однако вскоре у японцев появились истребители «Мицубиси» А5М и «Накадзима» Ки-27, превосходившие И-152 по скорости, горизонтальной маневренности, скороподъемности. Тем не менее в ряде боев советские и китайские летчики успешно боролись с превосходящим по численности противником. Так, например, 18 февраля 1938 г., отражая налет на Ухань, китайцы на И-15 и И-16 сбили до 11 японских истребителей и бомбардировщиков, потеряв 5 своих машин. 29 апреля в районе Ханькоу советские и китайские летчики, перехватывая группу из 30 японских бомбардировщиков, сбили 21 машину врага, 31 мая здесь же было сбито еще 8 вражеских машин.
Истребители И-15 приняли участие в боевых действиях в районе озера Хасан в августе 1938 г. У противника авиация отсутствовала, поэтому И-15 использовались для штурмовки японских наземных войск. В боевых действиях в районе Халхин-Гола И-15 пришлось сражаться с Ки-27, основным истребителем императорской Квантунской армии. Полк истребителей И-15бис осуществлял перехват японских бомбардировщиков. 22 июня 1939 г. в авиационном сражении 95 истребителям И-15бис и И-16 противостояли 120 японских истребителей, в результате потери с нашей стороны составили 14 машин, а японцы потеряли 34 машины. После первых серьезных потерь И-152 были переведены на роль штурмовиков, с которой они неплохо справлялись.
Во время советско-финляндской войны в ноябре 1939 – марте 1940 г. основной задачей И-15 и И-152 было выполнение штурмовых ударов по наземным войскам противника. Кроме того, они привлекались для доставки грузов своим окруженным частям. Грузы перевозились в мягких контейнерах, которые подвешивались под нижним крылом самолета.
