Группа лётчиков и авиационных командиров внесла предложение заменить на серийном истребителе И-15 верхнее крыло типа «чайка» обычным, с прямым центропланом. Конструкторский коллектив Н. Н. Поликарпова, получивший задание выполнить эту работу, в 1936 году передал на испытание новый вариант истребителя, получивший название И-15-бис (И-152).

По схеме, контурам и конструкции, которая была несколько усилена, И-15-бис мало отличался от своего предшественника. Он тоже представлял собой одностоечный биплан. Площадь его коробки крыльев достигла 22,5 м2. Установка более мощного двигателя (М-25В в 750 л.с.) позволила усилить бортовое вооружение. Вес пустого самолёта увеличился до 1310 кг, взлётный — до 1730 кг.

Во время испытаний модифицированный истребитель показал скорость 316 км/час — у земли и 346 км/час на высоте 5 тыс. м. Дальность полёта И-15-бис достигла 770 км, на 270 км больше, чем у И-15, потолок остался прежним — 9500 м. Модифицированный вариант истребителя приняли для серийного производства. Авиазаводы за короткий срок выпустили свыше 2 тыс. истребителей этого типа. И-15-бис применялся в боях против японских захватчиков в районе реки Халхин-Гол в 1939 г., а также в качестве штурмовика в первые месяцы Великой Отечественной войны.