И-153 был представлен в двух вариантах: с системами топливопитания от подвесных баков и без таковых. Машин с НТВ было крайне мало (всего 24 штуки в составе 15-го и 38-го ИАП); их использовали для сопровождения дальних бомбардировщиков на всем маршруте боевого полета. Однако скорость И-153 все же была недостаточной даже для того, чтобы держаться в одном строю с ДБ-3 и СБ, не говоря уже о том, чтобы высылать их вперед для «отсечки» вражеских истребителей. Особенно от этого страдали «Чайки» с НТВ, которые, получив увеличенную дальность, несколько потеряли в крейсерской скорости. Ведущие групп бомбардировщиков, встречая в указанной точке прикрывавшие их бипланы, вынуждены были, скрепя сердце, снижать скорость строя, чтобы И-153 не отстали. В результате в отчётах по боевой деятельности авиаполков стали появляться строки типа: «Истребители типа И-153 для сопровождения СБ даже старых серий негодны (вследствие отсутствия превосходства летно-тактических данных), при полёте самолетов новых серий приходилось отказываться от сопровождения…».
Более скоростные И-16 (в советско-финской войне участвовали машины типов 5, 6, 10, 17, 18, 19, 27) если и подвергались критике, то пока лишь со стороны руководства бомбардировочных частей. Радиус действия И-16 (170 км) был недостаточен для того, чтобы осуществлить прикрытие бомбардировщиков на всем маршруте боевого полета.
Если их выделяли для сопровождения ДБ-3, то «ишачки» прикрывали бомбардировщики от атак финских истребителей только до какой-то определенной точки в Финляндии; над ней же встречали сопровождаемых на обратном пути. При полёте к цели бомбардировщики, эскортируемые И-16 с двигателями М-25 (машинами, летавшими нередко с фиксированными в выпущенном положении лыжным шасси), вынужденны были снижать приборную скорость полета строя до 260 км/ч. в противном случае истребители начинали отставать. При выделении для сопровождения машин с двигателями М-62 подобных ограничений не накладывалось, но, как отмечали командиры бомбардировочных частей, значительных преимуществ в тактико-технических данных перед бомбардировщиками и эти истребители не имели. К концу войны на фронт стали поступать более совершенные машины с моторами М-63, однако до конца боевых действий на фронт прибыло две эскадрильи таких истребителей, которые в боях участия уже не успели принять. В 59-й истребительной авиабригаде (ИАБР) воевало звено И-16 (тип 19) с пулеметами СН калибра 7,62 мм под патрон с большей навеской пороха. Эти самолеты поступили в бригаду для прохождения войсковых испытаний еще до начала войны, летом 1939 г. С декабря 1939 г. до конца января 1940 г. они активно участвовали в боевых вылетах; всего из пулеметов СН было сделано порядка 35.000 выстрелов. Вскоре к этому оружию потребовались новые стволы. Инженерное руководство бригады делало соответствующие запросы, в Москву, однако какого-либо ответа на них в течение боевых действий не получило.