Модифицированный в соответствии с требованиями НИИ ВВС И-15бис оказался более тяжелым и менее маневренным, чем его предшественник И-15. Поэтому осенью 1937 года Поликарпов предпринял очередную попытку повышения летных характеристик самолета. В задуманной им очередной модификации главной задачей явилось всемерное облегчение самолета, предназначенного для ближнего дневного боя. Кислородное и ночное оборудование предполагалось сделать съемным. Устаревшие пулеметы ПВ-1 (созданные на базе "Максима") заменялись скорострельными ШКАС, два из которых также планировалось сделать съемными. Самолет получил обозначение И-153 (буквально: И-15 третья модель).

Полученные результаты во многом не устраивали заказчиков, прежде всего по причине недостаточной максимальной скорости. Испытатели утверждали, что обзор на самолете недостаточный, особенно при взлете и рулении по аэродрому. Предварительные испытания выявили отрицательные штопорные свойства самолета. Уже на рулении пилоту приходилось из-за недостатка обзора вперед передвигаться "змейкой", энергично работая педалями ножного управления. На взлете И-153 хорошо держал направление, отрывался легко, был возможен взлет без подъема хвоста. Хорошо сбалансированные самолеты позволяли летать с "брошенной" ручкой управления. Ввиду значительной поперечной устойчивости в вираж И-153 входил вяло, при этом оставался устойчив и не боялся перетягивания ручки. При потере скорости сваливался на крыло с опусканием носа (то есть в штопор не стремился). Происходило это на скоростях, меньших посадочной, так как на посадке пилоты тенденций к сваливанию не отмечали. Пикировал И-153 устойчиво, скорость набирал медленно. При превышении значения скорости 430км/ч отмечалась тряска хвостового оперения. При эксплуатации на колесах самолет выполнял посадку на "три точки", при несоблюдении этого условия имел тенденцию к прыжкам за счет жесткой амортизации. Задувание в кабине небольшое, однако полет без очков считался невозможным. Недостатком считалось отсутствие противопожарной перегородки между пилотом и топливным баком.

Еще на стадии проектирования И-153 представители ВВС требовали установки на самолет крупнокалиберных пулеметов. Как только такие пулеметы с удовлетворительными характеристиками появились, ими немедленно вооружили "Чайку". Чуть позже появился вариант с установкой одного синхронного крупнокалиберного пулемета и двух ШКАС. Не менее заманчивой представлялась установка на самолет скорострельных авиационных пушек ШВАК калибра 20мм, которые эффективно испытали в боевых условиях на И-16. Однако, если на И-16 пушки устанавливали вне диска вращения воздушного винта, на И-153 их было решено установить в синхронном варианте, со стрельбой через винт. Эта работа тогда проводилась впервые.

В целом "Чайка" по результатам боевых действий признавалась неплохим самолетом, даже с учетом отмеченных недостатков. Одновременно с положительными оценками, в ходе советско-японского конфликта в летной среде впервые заговорили о нецелесообразности дальнейшего развития истребителей биплановой схемы.

• И-153 первая серийная модификация
• И-153П пушечный вариант (2 синхронные пушки ШВАК)
• И-153ГК высотный, с герметической кабиной Щербакова, позволяющей выполнять полеты на высотах более четырех километров без кислородного оборудования. Самолет летом 1940 года прошел успешно испытания, но в серии не строился.
• И-153ТК с турбокомпрессорами и мягкой гермокабиной Поликарпова. Установка турбокомпрессора позволила значительно повысить высоту боевого применения самолета. В отдельных случаях пилоты забирались на высоту 12км. Была построена малая серия. Самолеты предполагалось использовать в частях ПВО.
• И-153УД Вынужденное стремление советской авиапромышленности к экономии металла стало причиной появления "Чайки" с деревянным фюзеляжем. В серию машина не пошла в связи с прекращением постройки базовой модели.