Khi những nỗ lực để cải tiến hiệu suất tỏ ra không mấy kết quả, Polikarpov đã có thành công nào đó trong việc nâng cấp vũ khí trang bị. I-153 trong quá trình thử nghiệm trang bị hai khẩu súng máy 12.7 mm TKB-150 (sau này có tên gọi Berezin BS), và khoảng 150 máy bay được chế tạo với một khẩu TKB-150 ở thân máy bay và hai khẩu ShKAS ở cánh (khẩu TKB-150 được sử dụng vì thiếu vũ khí trong khi I-153 lại dùng chung vũ khí với I-16 Kiểu 29). Vào cuối giai đoạn sản xuất, khoảng 400 máy bay được cải tiến với những mẫu kim loại dưới cánh để mang tên lửa RS-82 không điều khiển. Các phiên bản bao gồm:

• I-153BS - Phiên bản này trang bị 4 khẩu súng máy 12.7-mm (0.5-inch) Berezin BS, thay cho loại ShKAS.
• I-153DM - Phiên bản cơ sở thí nghiệm, I-153DM bay với động cơ phản lực đốt dầu dưới cánh. Động cơ DM-2 tăng tốc độ tối đa thêm 30 km/h (19 mph) trong khi động cơ mạnh hơn như DM-4 tăng thêm 50 km/h (30 mph). Tổng cộng có 74 chuyển bay được thực hiện.
• I-153GK hay (I-153V) - Phiên bản bay trên độ cao lớn với buồng lái điều áp, không được sản xuất.
• I-153P - Phiên bản trang bị hai pháo 20 mm ShVAK, tăng thêm hỏa lực do tăng thêm trọng lượng.
• I-153Sh và USh - Phiên bản cường kích với súng máy ShKAS và 2.5 kg (5.5 lb) bom.
• I-153TKGK - Phiên bản bay trên độ cao lớn với một động cơ tăng nạp và buồng lái điều áp, vận tốc cực đại đạt 482 km/h (300 mph) trên 10.300 m (33.785 ft), 26 chiếc được chế tạo để phòng không.
• I-153UD - Toàn bộ thân máy bay làm bằng gỗ, không như cấu trúc trước đây là bọc thép ngoài, khung làm bằng gỗ, phiên bản này được chế tạo để tiết kiệm kim loại, không được sản xuất.
• 50 chiếc I-153 được trang bị với thùng dầu lớn và những thùng dầu phụ dưới cánh tăng gấp đôi bán kính chiến đầu. Phần lớn phiên bản này được sử dụng bởi Hải quân Xô viết.
• I-190 - Phiên bản thí nghiệm trang bị động cơ pistong 1.100-hp (820-kW) M-88V.