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  于1934年服役的波利卡波夫伊-15对苏联空军而言始终不受欢迎。虽然双翼海鸥型机翼提供了良好的回旋性,但由于生产技术的低劣以及速度劣于伊-16的结果使得评价始终不佳,但因为西班牙内战的操作经验使得双翼机的开发出现了一丝回光返照的迹象。  在西班牙内战,各国对於单翼机的作战方式尚未成型,传统飞行学校所教导的空战战技仍是以一战经验为主,一战战斗机的攻击方式主要为缠斗回旋的方式击毁对手,一击脱离的战术概念在1936年时仍待时间与经验使其成熟;因此投入战场的飞行员对于回转性优良伊-15的评价并不差,加上I-16对上CR.32战斗机的交换比不怎么好,苏联空军当时的战力配置是以高速的I-16搭配灵活的I-15,采纳前线经验反馈等诸多意见下的苏联空军要求波利卡波夫设计局进行改良型双翼机的开发。  虽然I-15的改良型I-15bis(I-152)在1937年已经量产,但苏联设计局仍预计将新科技搭配在这台I-15改良型上。由工程师阿列克谢·雅·谢尔巴科夫(Aleksei Ya Shcherbakov)主导的团队在保留原先机身设计下将前机身前段更换为由铬钼钢结构包覆铝合金蒙皮、后段仍维持纺织蒙皮结构,尾舵则为铝合金骨架搭配纺织结构;换装使用一级二速机械增压器并增强出力的Shvetsov M-62发动机、以更高射速的ShKAS机枪汰换PV-1机枪、上翼以海鸥式主翼取代I-15的克拉克YH翼,下翼保留了I-15bis的克拉克YH翼、手摇式伸缩起落架(此项目为米高扬设计局创立者阿尔乔姆·米高扬所参予的第一项设计案)。  改良型称为I-153(I-15,3rd version),设计于1937年完成,但是新引擎的开发无法跟上飞机制造进度,因此1938年8月试飞的一号原型机仍是用I-15所使用的M-25发动机;而更糟的是I-153原型机发现设计有许多瑕疵,测试时间大幅拉长,边测边改的状态下一号原型机使用输出功率750匹马力之M-25V发动机测试结果最高时速424公里、最高升限8700米、5000米爬升6分钟24秒,这种与I-15bis相等性能的结果让所有人都非常失望,而波利卡波夫则寄望新引擎的换装能让飞机达到更好的性能,不过由于测试告一段落,但尚未测试新引擎的I-153在1938年就在苏联命令下进行量产,因此I-153在服役期间同时有两种引擎款式,此点除了对后勤造成困扰以外,也对后来产生了灾难性的影响。  1939年6月16日,装备M-62引擎的I-153二号原型机进行首次试飞,并得到最高时速442公里、升限9800米的成绩,虽然在极速上没有太大改变,但高空效能有显著改善,但并未达到验收标准。原本设计局估计最高时速可以提升到462公里,但在测试途中发现飞机设计有着严重的结构问题,如果俯冲时速超过500公里以上机身将会解体,因此速度提升被强制中止;海鸥式机翼理论上虽然可以提升飞机性能,但驾驶员的视野却受到主翼的阻挡。  尽管设计局提出了改良方案,但是I-153当时已经投入量产,以修改设计会拖延量产的理由苏联政府拒绝了日后所有的改良方案,对苏联政府来说I-153只是在新战机投入服役前的垫档机种,因此生产重于改良。但设计局并未放弃I-153的改良,甚至将2架I-153换装更高出力的M-63引擎以求改善性能,但结果仍然失败,I-15的原始设计已无法承担更高性能,连带使得I-153自量产起即告落伍。  除了设计的缺失以外,较不为人所知的是I-153在回转时的恶劣表现。I-153比I-16更容易进入尾旋状态,而且更难以改出,因此故意进入尾旋状态的行为遭到飞行单位的严格限制,直到后来才发展出一套回复操作程序,但大多数飞行员并没有熟练这套程序需要的时间。  I-153于1938至1941年生产,共计生产3437架。

  由于量产较迟,I-153并未军援西班牙共和政府,首次作战则是由苏联空军在1939年的诺门罕战役与日本陆军交战。与日军当时新型机九七式战斗机相比速度略低,回旋性也不如九七战,虽然驾驶座后部敷设8毫米厚的防弹装甲,但油箱与驾驶舱间缺乏良好的防火设计,如果油箱起火驾驶舱也会迅速遭火焰吞噬,因此自I-153逃生的驾驶员常有严重烧伤问题;加上M-62引擎失败的机械增压器设计使得增压器寿命仅有60到80小时,这些设计上的瑕疵更使得I-153无法承担第一线作战任务,到德苏战争时虽然因新型机不足而勉强在第一线接战,接战方式则尽量避免与德机接触,并用RS-82火箭弹在远距离以乱枪打鸟的方式进行射击并脱离战场,但速度不足以及火箭命中率极低的因素I-153不但折损率高,也没有任何飞行员驾驶I-153成为王牌飞行员。大多数的I-153在1943年后新型机充足下撤离前线战场。  除了苏联以外,中华民国空军也在1940年底接收了一批I-153并装备了三个大队。这批I-153为太平洋战争爆发前算是中国战机中总和性能最优异的机种,但除了机械问题以外,更麻烦的是I-153配发不久后即与日本海军新式战机零战对战,性能低落的I-153成为零战的最佳饵食。从1941年3月14日成都空战遭日军16:0的沉重打击后,短短3个月中国空军的I-153已折损过半,最后也在1942年各大队前往印度接收美援飞机后迅速除役。

  虽然波利卡波夫试图改善I-153但毫无结果,但设计局仍设法取得武备对I-153的武装进行升级。包括了同轴机枪变更为2具TKB-150 12.7毫米同轴机枪,另外大约有150架的I-153则是与I-16 Type29相同的设计;后期大约400架的I-153则更换金属制下机翼以操作空用火箭,其他改良包括:
波利卡波夫I-153战斗机海鸥(俄文:)为苏联I-15战斗机的改良型,包括改用手动式起落架取代了原先的固定式起落架以减少风阻。