於1934年服役的波利卡波夫伊-15對蘇聯空軍而言使終不受歡迎。雖然雙翼海鷗型機翼提供了良好的迴旋性，但由於生產技術的低劣以及速度劣於伊-16的結果使得評價始終不佳，但因為西班牙內戰的操作經驗使得雙翼機的開發出現了一絲迴光返照的跡象。
設計者 波利卡波夫設計局 研發時間 1936~1939 生產時間 1938~1941 服役時間 1938－1945 機員數 1 產量 3437架 機身尺寸 長 6.18 米 翼展 9 米 主翼面積 22.1 ㎡ 高 3 米 重量 空重 1348 公斤 一般起飛重量 1,795 公斤 最大起飛重量 1,859 公斤 動力 發動機 M-62活塞式氣冷發動機 推力 1000匹馬力 飛行表現 最高速度 442公里/小時 巡航速度 最大航程 740 公里 實用升限 10,700米 翼負荷 80 公斤／m² 推重比 0.21 匹馬力／公斤 武器系統 機槍 4門ShKAS機槍(每挺備彈2500發) 炸彈 4枚55公斤炸彈或6枚RS-82空射火箭在西班牙內戰，各國對於單翼機的作戰方式尚未成型，傳統飛行學校所教導的空戰戰技仍是以一戰經驗為主，一戰戰鬥機的攻擊方式主要為纏鬥迴旋的方式擊毀對手，一擊脫離的戰術概念在1936年時仍待時間與經驗使其成熟；因此投入戰場的飛行員對於迴轉性優良伊-15的評價並不差，接受前線經驗反饋的蘇聯空軍接受駕駛員意見並要求波利卡波夫設計局以實戰經驗進行改良型雙翼機的開發。
雖然I-15的改良型I-15bis（I-152）在1937年已經量產，但蘇聯設計局仍預計將新科技搭配在這台I-15改良型上。在保留原先機身設計下換裝安裝增壓器並增強出力的 Shvetsov M-62發動機、ShKAS機關槍、新的海鷗式主翼、手搖式伸縮起落架（值得注意的是,此項目為米高揚設計局創立者阿爾喬姆·米高揚所參予的第一項設計案）。改良型稱為I-153（I-15,3rd version），設計於1937年完成，但是新引擎的開發無法跟上飛機製造進度，因此1938年8月試飛的一號原型機仍是用I-15所使用的M-25發動機；而更糟的是I-153原型機發現設計有許多瑕疵，測試時間大幅拉長，邊測邊改的狀態下使用M-25的一號原型機測試結果最高時速424公里、最高升限8700米、5000米爬升6分鐘24秒，這種與I-15bis相等性能的結果讓所有人都非常失望，而波利卡波夫則寄望新引擎的換裝能讓飛機達到更好的性能，不過由於測試告一段落，但尚未測試新引擎的I-153在1938年就在蘇聯命令下進行量產，因此I-153在服役期間同時有兩種引擎款式，此點除了對後勤造成困擾以外，也對後來產生了災難性的影響。
1939年6月16日，裝備M-62引擎的I-153二號原型機進行首次試飛，並得到最高時速442公里、升限9800米的成績。原本設計局估計最高時速可以提升到462公里，但在測試途中發現飛機設計有著嚴重的結構問題，如果俯衝時速超過500公里以上機身將會解體，因此速度提升被強制中止；海鷗式機翼理論上雖然可以提升飛機性能，但駕駛員的視野卻受到主翼的阻擋。
儘管設計局提出了改良方案，但是I-153當時已經投入量產，以修改設計會拖延量產的理由蘇聯政府拒絕了日後所有的改良方案。但設計局並未放棄I-153的改良，甚至將2架I-153換裝更高出力的M-63引擎以求改善性能，但結果仍然失敗，I-15的原始設計已無法承擔更高性能，連帶使得I-153自量產起即告落伍。
除了設計的缺失以外，較不為人所知的是I-153在迴轉時的惡劣表現。I-153比I-16更容易進入尾旋狀態，而且更難以改出，因此故意進入尾旋狀態的行為遭到飛行單位的嚴格限制，直到後來才發展出一套回復操作程式，但大多數飛行員並沒有熟練這套程式需要的時間。
I-153於1938至1941年生產，總計生產3437架。
由於量產較遲，I-153並未軍援西班牙共和政府，首次作戰則是由蘇聯空軍在1939年的諾門罕戰役與日本陸軍交戰。與日軍當時新型機九七式戰鬥機相比速度略低，迴旋性也不如九七戰，雖然具備防彈裝甲，但油箱與駕駛艙間缺乏良好的防火設計，如果油箱起火駕駛艙也會迅速遭火焰吞噬，因此自I-153逃生的駕駛員常有嚴重燒傷問題；加上M-62引擎失敗的機械增壓器設計使得增壓器壽命僅有60到80小時，這些設計上的瑕疵更使得I-153無法承擔第一線作戰任務，到德蘇戰爭時雖然因新型機不足而勉強在第一線接戰，接戰方式則儘量避免與德機接觸，並用RS-82火箭彈在遠距離以亂槍打鳥的方式進行射擊並脫離戰場，但速度不足以及火箭命中率極低的因素I-153不但折損率高，也沒有任何飛行員駕駛I-153成為王牌飛行員。大多數的I-153在1943年後新型機充足下撤離前線戰場。
除了蘇聯以外，中華民國空軍也在1940年底接收了一批I-153並裝備了三個大隊。這批I-153為太平洋戰爭爆發前算是中國戰機中總和性能最優異的機種，但除了機械問題以外，更麻煩的是I-153配發不久後即與日本海軍新式戰機零戰對戰，性能低落的I-153成為零戰的最佳餌食。從1941年3月14日成都空戰遭日軍16:0的沉重打擊後，短短3個月到1941年中中華民國的I-153已折損過半，最後也在1942年各大隊前往印度接收美援飛機後迅速除役。
雖然波利卡波夫試圖改善I-153但毫無結果，但設計局仍設法取得武備對I-153的武裝進行升級。包括了同軸機槍變更為2具TKB-150 12.7公厘同軸機槍，另外大約有150架的I-153則是與I-16 Type29相同的設計；後期大約400架的I-153則更換金屬制下機翼以操作空用火箭，其他改良包括：
