El TsKB-3 fue entonces probado con un motor radial importado Wright SGR-1820-F3 Cyclone de 710 hp instalado bajo un capó anular Townend.
Todos estos primeros aviones estaban armados con dos ametralladoras sincronizadas PV-1, pero los 270 últimos I-15, propulsados por el motor soviético M-25, accionando una hélice AV-1 (desarrollado uno del Wright y la otra de la Hamilton estadounidenses), montaban una batería de cuatro ametralladoras.
Los últimos I-15 fueron entregados a sus unidades en 1937, y parece probable que cierta cantidad de los aparatos propulsados por el M-22 fuese más tarde remotorizada con el nuevo M-25.
La diferencia principal, sin embargo, era el plano superior, con su sección central arriostrada al fuselaje mediante dos montantes de cabaña en N. El borde de fuga del plano superior presentaba un rebaje sobre la cabina abierta del piloto.
Durante la guerra civil española, los soviéticos suministraron cazas Polikarpov I-15 al gobierno de la República.
Su enemigo más habitual eran los cazas italianos Fiat C.R.32, y los alemanes Heinkel He 51, frente a los que se mostraron superiores.
El I-15 combatió con gran eficacia en España, superando en maniobrabilidad a los más ágiles cazas enemigos y siendo posteriormente reartillado con dos ametralladoras ShKAS, de mejores cualidades que las PV-1.