Летом 1942 г. немецкая авиация предприняла ряд массированных налетов на Кронштадтскую военно-морскую базу. Прикрывал Кронштадт 71-й иап, имевший в то время около 20 истребителей И-153 и И-16. В период с 28 мая по 14 июля немецкая авиация потеряла в этом районе 24 самолета — 71-й иап потерь не имел. Комиссар полка И.И. Сербин за этот период сбил на И-153 три Не 111 лично и один в паре. В ночь на 3 июня 1942 г. Сербин находился в зоне ожидания на высоте 1000 м. Обнаружив вражеский «хейнкель», советский пилот атаковал его «эрэсами», после чего тот упал в районе горы Пухтола и взорвался. Возвращаясь в свою зону в районе острова Котлин, Сербии обнаружил еще один Не 111, освещенный прожекторами, и атаковал его с короткой дистанции. Вражеский бомбардировщик упал в воду на глазах у всего гарнизона Кронштадта.
В середине 1943 г. истребители И-153 под Ленинградом имелись в основном в составе авиации Балтийского флота. По нескольку «Чаек» имелось в 3-м, 4-м и 10-м Гвардейских истребительных авиаполках и 7-ом авиазвене ПВО, До десяти машин вплоть до июля базировались на острове Лавенсаари — в основном это были истребители. 10-го иап. Активизация вражеской авиации летом 1943 г., сложность перехвата немецких бомбардировщиков Ju 88 и Не 111, явное неравенство в схватках с появившимися Fw 190 привели к тому, что на Лавенсаари перебросили истребители Як-1 из 3-го гиап, а заслуженным ветеранам И-153 оставили второстепенные задачи.
Уже в ходе войны И-153 получили неожиданную специализацию. Созданные в конце 1941 г. ночные бомбардировочные полки на самолетах У-2, Р-5 и P-Z в течение первой военной зимы действовали вполне успешно. До наступления весны долгие темные ночи оставались верным союзником этих «небесных тихоходов». Но весной и особенно летом ночные бомбардировщики стали нести ощутимые потери от немецких воздушных охотников. Было принято решение для защиты «ночников» выделить истребители. «Чайки», обладавшие коротким взлетом и посадкой, как нельзя лучше подходили для этой цели.
Одним из первых в ноябре 1941 г. на базе 25-й авиационной школы в городе Невиномыске Ставропольского края сформировали 654-й ночной легкобомбардировочный авиаполк (нлбап) на самолетах У-2. Весной 1942 г. эта часть получила в дополнение к двум десяткам «кукурузников» эскадрилью из 8 И-153 и стала именоваться 889-й смешанный авиаполк. Летом 1942 г. полк успешно действовал на южном направлении во время боев за Донбасс. 25 августа полк отвели на переформирование в город Насосный севернее Баку. «Чайки» передали в 8-й иак бакинской зоны ПВО, а 889-й полк в течение зимы — весны действовал исключительно на У-2. Летом 1943 г. во время активизации боев в районе Керчи и Новороссийска «Чайки» вернули обратно. Теперь их основной задачей стало подавление зенитных средств и уничтожение прожекторов. Подобным образом применялись И-153 авиации Черноморского флота. Активное использование истребителей-бипланов по ночам на этом участке фронта отмечалось в течение всего 1943 г.
В начале 1942 г. советская фронтовая авиация имела немногим более двухсот самолетов И-153. К концу летнего сезона количество этих истребителей сократилось более чем вдвое. По состоянию на 1 июля на фронте имелось 83 «Чайки», из них 42 машины в 5-й воздушной армии.
Установление точного количества воевавших И-153 представляется затруднительным, ибо потери частично восполнялись ремонтом и поступлением из тыловых частей, многие подразделения «мигрировали».
Так, в начале августа 1942 г. 662-й авиаполк ночных бомбардировщиков У-2, действовавший в полосе 52-й армии в районе Мясного Бора получил в качестве пополнения эскадрилью истребителей И-153 и И-16. Полк получил наименование смешанного и действовал в таком составе до весны 1943 г. В апреле 662-й сап расформировали, истребители передали полку из состава 14-й воздушной армии.
В середине 1943 г. на фронте насчитывалось 36 истребителей И-153. Именно в этот период в частях появилась изданная Наркоматом Обороны брошюра «Тактика истребительной авиации». Для И-153 эта «Тактика» во многом уже не подходила, но, принимая во внимание, что разработали ее на основе опыта 1941 — 1942 гг. и во многие полки фрагментарно доводили в виде многочисленных циркуляров, некоторые ее положения оказались весьма интересны. Тем более, что пилота И-153 призывали не к обороне, а к активной (!!!) воздушной схватке: «Отличная маневренность «Чайки» делает ее неуязвимой для неповоротливого Bf 109, если только летчик «Чайки» хорошо осматривается кругом. И-153 всегда может вывернуться из-под атаки и встретить противника огнем в лоб, При этом часто получается так, что И-153 может вести огонь по Bf 109, а тот довернуть до «Чайки» не успевает». Инструкцией предписывалось применение истребителей типа И-153 на самом нижнем ярусе возможных боевых столкновений — на высотах 500 — 1000 м, в боевом порядке, получившем название «пчелиный рой». Впрочем, соблюдение подобных условий возможно было лишь при наличии нескольких пар истребителей И-153, в жизни подобное встречалось уже крайне редко.
В 1944 г. оставшиеся И-153 окончательно отошли на задний план. В наступательных операциях Красной армии эти самолеты уже не участвовали, отдельные «Чайки» несли вспомогательную или патрульную службу. Так, вплоть до мая 1945 г., несли охрану внутренних конвоев в Белом море И-153 ВВС Северного флота. Имелись в 1945 г. истребители этого типа на Дальнем Востоке и в Монголии. К началу боевых действий против Японии в 1945 г. на Дальний Восток прибыли более современные боевые машины, поэтому старые самолеты, а к ним бесспорно относился истребитель И-153, в боях не задействовали.
И-153 с опознавательными знаками гоминдановских ВВС на нижней поверхности нижнего крылаПо соглашению с центральным правительством, возглавляемым Чан Кайши, в период с осени 1937 г. и вплоть до начала 1941 г. в Китай отправили 1250 самолетов советской постройки, которые сыграли решающую роль в отражении японской агрессии. Основная масса авиатехники поступила до сентября 1939 г. Последующие события характеризовались охлаждением взаимоотношений с Чан Кайши и, как следствие, сокращением поставок советского вооружения. Именно в этот заключительный период, в первой половине 1940 г., в Китай прибыли 93 истребителя И-153. Вполне возможно, что эти самолеты стали одной из последних поставок советской стороны. Доставка самолетов велась по хорошо отработанной схеме. В разобранном виде они грузились на автомашины ЗИС-5 в предместье Алма-Аты и перевозились до местечка Хами. Перевозка длилась в течение месяца. В Хами самолеты собирали и на них наносили опознавательные знаки китайских ВВС. Затем китайские летчики перегоняли истребители к месту базирования. В течение 1940 г. из поступивших «Чаек» сформировали три китайских истребительных группы, которые действовали в основном как истребители противовоздушной обороны в районах крупных населенных пунктов. К особенностям эксплуатации И-153 в Китае следует отнести жаркий климат, поэтому для улучшения охлаждения двигателей лобовую часть капота (диск с жалюзи) снимали.
В продолжении года боевого использования значительная часть самолетов И-153 была потеряна. Известно, что в середине 1941 г. в Китае находилось до сотни истребителей советской постройки всех типов. Отдельные экземпляры И-153 встречались еще в период 1942 — 1943 гг.
Начиная с 1940 г. и по 1945 г. включительно, И-153 использовались в финской боевой авиации. Это были машины, потерпевшие аварии или совершившие вынужденные посадки и захваченные финнами. Общее количество финских «Чаек» составило 21 машину, из которых 8 достались финнам в качестве трофеев еще в период зимней войны 1939/40 г.
18 апреля 1940 г. первый восстановленный И-153 под обозначением VH-1.01 получил опознавательные знаки финских ВВС — голубую свастику в белом круге, нанесенную на крыльях и фюзеляже. Летом 1941 г. количество боеспособных И-153 финны довели до шести самолетов. Первый отремонтированный экземпляр сменил обозначение с VH-101 на VH-11, остальные получили номера VH-12, VH-13, VH-14 и VH-16. Самолеты были сведены в авиаполк LeLv6 с местом базирования в городе Турку. Подразделению поставили задачу по охране побережья, поиску кораблей и подводных лодок. Накануне нападения на СССР Финляндия активно сотрудничала с Германией, предоставляя последней порты и аэродромы для базирования кораблей и самолетов. Начиная с 22 июня 1941 г. авиачасти LeLv6 предписывалось вести борьбу с возможными налетами советских бомбардировщиков.
25 июня 1941 г. около 40 советских СБ не преминули появиться над Турку и высыпать здесь свой бомбовый груз. Противодействия в этот день бомбардировщики не встретили. Ранним утром следующего дня 18 СБ вновь бомбардировали Турку. На этот раз бомбовозы встретил патруль финских «Чаек», которым удалось подбить один С.Б. После этого налета авиаполк LeLv6 перевели на аэродром в Нуммела, где полностью переключили на задачи по патрулированию побережья. Летали финские «Чайки» обычно парами, атаковали мелкие суда, в зону зенитного огня не входили и в воздушные бои старались не ввязываться. Появление бывших «своих» самолетов сразу отметила советская сторона, поэтому все И-153, замеченные в воздухе в этом районе, встречались настороженно. Командованием Балтийского флота предписывалось советским истребителям И-153 вылетать на задания в составе не менее трех самолетов, а в случае обнаружения однотипных вражеских машин стараться их немедленно уничтожить. 10 июля первую финскую «Чайку» удалось сбить в районе полуострова Ханко советскими И-153 из состава 13-го иап. Неделей спустя поиск врагов привел к трагическим последствиям. Известные балтийские летчики-истребители Антоненко и Бринько при возвращении с задания встретили две «Чайки», которые ошибочно приняли за вражеские. Петр Бринько, пилотировавший И-16, посчитал, что один из встречных самолетов идет в лобовую атаку, и сбил самолет своего однополчанина Ивана Козлова.
