К концу октября 1936 г. первые 25 истребителей И-15 с двигателями М-22 прибыли в Испанию, а уже 4 ноября над пригородом Мадрида эскадрилья майора Павла Васильевича Рычагова (1911–1941), в феврале 1941 г. ставшего заместителем наркома обороны СССР, вступила в воздушный бой с немецкими истребителями «Хейнкель» Не 51 из легиона «Кондор» и сбила 4 из них. В тот же день истребители И-15 сбили еще три итальянских истребителя «Фиат» C.R.32 и один бомбардировщик «Юнкере» Ju 52.

И-15

Помимо советских и испанских летчиков на И-15 воевали и летчики-добровольцы из других стран. Например, в эскадрилье Escuadrilla Lacalle на этих истребителях успешно воевало несколько американцев, два француза и один бельгиец. Американец Ф. Тинкер, например, сбил три самолета Не 51, три C.R.32 и два Bf 109, а его соотечественник А. Баумлер – два Не 51 и три C.R.32. 8 июля 1937 г. югославский доброволец Б. Петрович уничтожил один Bf 109В, а 6 февраля 1939 г. испанец X. Фалько сбил два Bf 109В.

Две эскадрильи И-15 республиканцев 15 октября 1937 г. совершили налет на авиабазу в Гарапилиньосе, уничтожив на земле большое количество бомбардировщиков и истребителей противника, склады с горючим и боеприпасами, а также несколько автобусов с летным составом. В ночь на 25 октября 1937 г. лейтенант Е.Н. Степанов на истребителе И-15 впервые в мире совершил ночной воздушный таран, уничтожив итальянский бомбардировщик «Савойя-Маркетти» С.М.81.

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.