I-15 đã được sử dụng rộng rãi trong các trận chiến bởi những người Cộng hòa trong Nội chiến Tây Ban Nha và tỏ ra là một trong những máy bay tiêm kích tốt nhất vào thời điểm đó[cần dẫn nguồn]. I-15bis cũng tham gia vào rất nhiều hoạt động ở Manchuria trong những vụ xung đột biên giới khác nhau giữa Nhật Bản và Nga. Năm 1937, những chiếc I-15 đã được gửi cho Không quân Trung Hoa, hoạt động chống lại sự xâm lược của Nhật Bản, tại đây những máy bay hai tầng cánh bắt đầu phải chiến đấu với những máy bay chiến đấu một tầng cánh mới hơn và nhanh hơn của Nhật. Hơn 1.000 chiếc tiêm kích I-15bis vẫn còn được sử dụng trong thời gian diễn ra cuộc xâm lược của Đức quốc xã, lúc này chúng được sử dụng trong vai trò tấn công mặt đất. Cuối năm 1942 tất cả những chiếc I-15 và I-15bis lần lượt chuyển xuống làm các nhiệm vụ ở tuyến thứ hai.