В состав авиации Северного флота в начале войны входил 72-й смешанный авиаполк, в котором числилось 28 И-15бис, а также 17 И-153, 4 И-16 и 11 СБ. Базировался он на аэродроме Ваенга в районе Мурманска. Уже 29 июня 1941 г. командир звена 72-го САП ст. л-т С. Уваров сбил на И-15бис немецкий Ju 88 при отражении массированного налета.
В 1942 г. в губе Белушья на Новой Земле была организована военно-морская база Северного флота, прикрытие которой осуществлял 54-й САП, вооруженный самолетами И-15бис, И-153 и МБР-2. В течение 1942-44 годов «бисы» этого полка постоянно вели в районе новоземельской базы воздушную разведку. Так, 23 июля летчик И-15бис на подходе к губе Белушья обнаружил вражескую подлодку и сбросил на нее 2 ФАБ-50. Понятно, что уничтожить лодку обычными фугасными авиабомбами было невозможно, однако признавалось, что даже отпугивающий характер действий при недостатке средств играет положительную роль. Базируясь на Новой Земле, несколько И-15бис и И-153 несли службу до окончания войны. Последний И-15бис № 5387 из 54-го САП списали 1 октября 1945 г.
На момент окончания боевых действий небольшое количество старых бипланов оставалось также на Дальнем Востоке. Кроме этого, в 1945 г. одна эскадрилья И-15бис (количество не установлено) находилась в составе ВВС Монголии.
К сожалению, из почти двух с половиной тысяч произведенных И-15бис в первозданном виде не сохранилось ни одной машины. Однако этот самолет всегда вызывал интерес, поэтому в середине 1990-х годов было восстановлено три музейных экземпляра, которые сегодня находятся в музеях ВВС в Монино, Великой Отечественной войны в Москве и ВВС Северного флота. Кроме того, компания «Авиареставрация» на производственной базе в Новосибирске в 1999-2002 годах восстановила два летающих И-15бис и один двухместный ДИТ.
Самолет является одномоторным полуторапланом с неубираемым в полете шасси. Конструкция самолета — смешанная: каркас выполнен из стали, дюралюминия и дерева, обшивка - дюралевая, фанерная и полотняная. Экипаж — 1 человек. В перегрузочном варианте может применяться как штурмовик.
Фюзеляж самолета представляет собой сварную четырехгранную ферму из хромансилевых и хромомолибденовых труб, на которой закреплен дюралевый каркас для придания фюзеляжу обтекаемой формы. Каркас собран из дужек шпангоутов и приклепанных к ним продольных стрингеров. Передняя часть каркаса (до кабины пилота) закрыта дюралевыми крышками, крепящимися на шарнирах и замках, а задняя обтянута авиационным льняным полотном марки АЛЛ-16.
Силовая ферма фюзеляжа состоит из четырех лонжеронов, верхних и нижних поперечин, левых и правых боковых стоек. Жесткость ферме придают подкосы, а также ленточные и проволочные расчалки. Каждый лонжерон сварен из трех труб, поперечные сечения которых уменьшаются по направлению к хвосту фюзеляжа. Силовая ферма фюзеляжа включает 8 поперечных рам, каждая из которых образована парой поперечин и парой боковых стоек. На первой раме фюзеляжа закреплены моторама, маслобак, стойки шасси, передние и диагональные стойки центроплана верхнего крыла, противопожарная перегородка из дюралевого листа. Хромомолибденовая рама навески двигателя состоит из кольца и девяти подкосов: четырех верхних, трех нижних и двух боковых. Моторама крепится к раме фюзеляжа в пяти точках, узлы крепления снабжены амортизационными стаканами. К верхним узлам фюзеляжной рамы № 2 присоединяются задние стойки центроплана верхнего крыла, а к нижним узлам — передний лонжерон нижнего крыла. Рама № 3 служит для крепления заднего лонжерона нижнего крыла. К раме №7 сверху приварена трубчатая рамка с узлами навески передних лонжеронов киля и стабилизатора, а снизу — дужка с распорками для предохранения от поломки силовой конструкции фюзеляжа в случае разрушения костыля шасси при посадке. У нижних узлов этой рамы имеются ушки для присоединения подкосов стабилизатора. На раме № 8 крепятся задний лонжерон киля, а также кронштейны под шкворень костыля и нижний узел навески руля направления.