Группа летчиков 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-15бис(И-152).
По схеме, контурам и конструкции, которая была несколько усилена, И-15бис 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 (750 л.с.) позволила усилить бортовое вооружение. Вес пустого самолета увеличился до 1310 кг, взлетный – 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 полета И-15бис 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 2000 истребителей этого типа. И-15бис применялся в боях против японских захватчиков в районе реки Халхин-Гол в 1939 году, а также в качестве штурмовика в первые месяцы Великой Отечественной войны.