Новый проект маневренного истребителя И-14а конструкции Поликарпова рассматривался одновременно с самолетом И-14, над которым работала в ОКБ А.Н.Туполева бригада П.О.Сухого. Было решено строить оба самолета и проект Поликарпова во избежание путаницы получил обозначение И-15 и рабочее название ЦКБ-3.

Новый самолет напоминал полутораплан Поликарпова И-5, но выполненный более компактно и аккуратно. Заметным отличием нового самолета стала центральная часть верхнего крыла, выполненная с изломом типа "чайка". Такая схема не только увеличивала обзор летчика вперед, но и улучшала аэродинамику и обеспечивала истребителю лучшую маневренность, особенно в глубоком вираже. В качестве силовой установки был выбран американский двигатель Curtiss-Wright R-1820 Cyclone мощностью 625л.с., советский лицензионный вариант которого получил обозначение М-25.

По схеме И-15 - расчалочный одностоечный полутораплан. Колеса неубираемого двухстоечного шасси закрывались обтекателями. Каркас фюзеляжа ферменный, сварной из стальных труб. Каркас крыльев деревянный, оперения - дюралевый. Обшивка везде полотняная. Вооружение состояло сначала из двух, а затем из четырех 7,62-мм пулеметов ШКАС.

Первый полет самолета ЦКБ-3 был выполнен Чкаловым 23 октября 1933 года. Через месяц первый прототип был разбит при посадке и в декабре летные испытания были продолжены на втором прототипе. Истребитель превосходил по маневренности на горизонталях м скороподъемности все известные машины. Вираж на нем выполнялся за 8 секунд. Но по максимальной скорости на высоте 5000м он уступал некоторым иностранным образцам. Подготовка к серийному выпуску началась незамедлительно.

Весной 1934 года были проведены эксплуатационные испытания самолета. Общее впечатление о самолете складывалось вполне благоприятное. В штопор самолет срывался лишь при грубых ошибках, выход из штопора сложности не представлял. Однако на скоростях выше 270км/ч появлялась путевая неустойчивость. Исследования показали, что сочетание центроплана типа "чайки" с козырьком кабины образует зону завихрения, поэтому было предложено построить вариант с обычным центропланом И-15бис.

Всего было построено 380 истребителей И-15. Серийные самолеты начали поступать в войска в конце 1934 года. Летчики любили этот истребитель за простоту пилотирования и хорошие взлетно-посадочные качества. Но эксплуатация самолета сопровождалась частыми поломками и неисправностями. Мощные двигатели М-25 устанавливались на моторамы без соответствующего демпфирования, что приводило к повышенной вибрации и деформации конструкции.

Первую боевую проверку И-15 прошли в небе Испании. Активное участие принимали подразделения, вооруженные самолетами И-15, в разгроме японских захватчиков в районе реки Халхин-Гол. Небольшое количество И-15 использовалось в боях с белофиннами и в качестве штурмовиков в первые месяцы Великой Отечественной войны.

Хорошая скороподъемность И-15 использовалась в конце 1935 года для достижения мирового рекорда высоты. Для этого отремонтировали и переоборудовали первый опытный экземпляр ЦКБ-3. С самолета смыли краску, сняли вооружение, амортизацию шасси и другое оборудование. Крылья обтянули тончайшим полотном. Борьба шла за каждый килограмм веса. Горючее заливалось только для подъема наверх, обратно предполагалось планировать с выключенным двигателем. В ноябре 1935 года летчик-испытатель Владимир Коккинаки забрался на высоту 14575м, что на 142м превышало мировой рекорд.

В декабре того же года Поликарпов представил проект рекордной модификации И-15РВ с увеличенным размахом крыла и закрытой кабиной с обогревом. Предполагалось, что этот самолет сможет достичь высоты 15400м, но проект не был осуществлен. Для высотных полетов была нужна герметичная кабина. Испытания такой кабины, выполненной из нескольких слоев прорезиненного перкаля, провели осенью 1937 года. Дальнейшие опыты с гермокабинами продолжились на И-15бис и И-153.