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;换装安装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TH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424千米、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。