Polikarpov I-15 là một thiết kế không phổ biến với Không quân Xô viết (VVS). Thiết kế kiểu cánh "mòng biển" khiến độ ổn định theo chiều dọc kém và tầm nhìn hạn chế, máy bay có chất lượng chế tạo tồi, và vận tốc tối đa của nó kém hơn loại Polikarpov I-16 một tầng cánh. Và do đó, I-15 bị rút khỏi sản xuất vào năm 1935. Năm 1936, một lô những chiếc I-15 được gửi cho lực lượng quân đội Cộng hòa trong Nội chiến Tây Ban Nha. Máy bay đã thể hiện đủ tốt để khiến VVS xem xét lại quan niệm về những máy bay tiêm kích hai tầng cánh và Polikarpov được lệnh chế tạo thêm một phiên bản cải tiến dựa vào kinh nghiệm chiến đấu.

Trong khi phiên bản I-15bis bình thường được đưa vào sản xuất, OKB đã làm việc với một phiên bản tiên tiến hơn, trang bị với súng máy đời mới ShKAS, động cơ Shvetsov M-62, và bộ bánh đáp có thể co rút được (đây là một trong những dự án đầu tiên mà Artem Mikoyan, tổng công trình sư nổi tiếng của phòng thiết kế MiG trong tương lai đã tham gia tích cực). Tên gọi cho máy bay tiêm kích mới được đề xuất là I-153 (nghĩa đen là I-15, phiên bản thứ 3) được trình bay vào năm 1937. Nguyên mẫu đầu tiên được trang bị động cơ Shvetsov M-25 hoàn thành vào tháng 8-1938. Nó đã thất bại trong các cuộc thử nghiệm ở nhà máy do nhiều nhược điểm, sau đó phần lớn những nhược điểm này được sửa chữa trong nguyên mẫu thứ hai và máy bay bắt đầu được sản xuất đồng thời với những thử nghiệm và phát triển đang diễn ra. Trong các cuộc bay thử, I-153 (M-25) đạt được vận tốc cực đại là 424 km/h (265 mph), trần bay là 8.700 m (28.500 ft), cần 6.4 phút để bay cao 5.000 m (16.400 ft). Những thông số này đã gây thất vọng cho tất cả những người tham gia vào dự án, nhưng Polikarpov đã đặt niềm hy vọng lớn vào động cơ mới là Shvetsov M-62.

Chiếc I-153 (M-62) được chuyển giao vào ngày 16 tháng 6-1939. Vận tốc cực đại tăng lên 442 km/h (275 mph) với trần bay là 9.800 m (32.150 ft). Những thông số này còn thấp so với vận tốc cực đại theo thiết kế là 462 km/h (287 mph). Ngoài ra, một trong số máy bay sản xuất đã bị vỡ vụn khi lao xuống với vận tốc 500 km/h (310 mph), bộc lộ một cấu trúc khung yếu. Kết hợp với những khiếm khuyết khác đã bộc lộ trong những cuộc thử nghiệm và tầm nhìn rất kém do thiết kế cánh kiểu "mòng biển", máy bay đã thất bại trong các cuộc nghiệm thu cấp nhà nước. Trong khi nhiều cải tiến được đề xướng, tuy nhiên chúng lại không tỏ ra hữu ích. Thất vọng với mẫu máy bay, Polikarpov đã liều lĩnh cải tiến hiệu suất máy bay, ông đã thử nghiệm hai chiếc I-153 với động cơ Shvetsov M-63 1.100 hp (820 kW). Tuy nhiên, những kết quả đạt được lại rất thất vọng và đó đã trở thành những khó khăn hiển nhiên mà khung máy bay hai tầng cánh gặp phải khi bay với vận tốc cao.

Một trong những đặc trưng hiếm khi được đề cập của I-153 là hiệu suất yếu kém của nó khi bay bay bổ nhào quay. Trong khi Polikarpov I-16 lấy lại được trạng thái khi bổ nhào quay rất dễ dàng. Tương phản với I-16, I-153 rất khó thực hiện động tác này, một lần nó đã bị mất điều khiển khi bay kiểu này, khả năng khôi phục trạng thái cũ khó khăn tại vị trí đặc biệt, tại đó việc bay tròn có chủ đích bị cấm trong một số thời điểm. Một thủ tục khôi phục trang thái sau khi bổ nhào quay đã được phát triển, nhưng trong khi có hiệu quả, nó yêu cầu cần có sự tính toán về thời gian và động tác phải nhịp nhàng.

Đến khi kết thúc việc sản xuất vào năm 1941, tổng công đã có 3.437 chiếc I-153 được chế tạo.