Нужно отметить, что под Ленинградом применение истребителей И-153 оказалось довольно продолжительным и результативным. Здесь в условиях устойчивой линии обороны «Чайки» несли различную боевую службу: сопровождение транспорта и охрана трассы снабжения Ленинграда, ночная охота за прожекторами, участие в контрбатарейной борьбе.
К ленинградским эпизодам относится ночной таран, совершенный летчиком 26-го иап Алексеем Севастьяновым. 26-й авиаполк, начавший войну еще под Брестом, осенью 1941 г. воевал в составе 7-го истребительного авиакорпуса ПВО Ленинграда и был выделен специально для ночных полетов. На вооружении этого полка имелись истребители И-153, И-16, Як-1 и ЛаГГ-3.
В ночь на 5 ноября Севастьянов на И-153 вылетел для ночного патрулирования над Ленинградом. Город в то время уже более месяца находился в блокаде, фронт располагался так близко, что немецкие самолеты за считанные минуты долетали до центральных кварталов. Обнаруженный Севастьяновым бомбардировщик Не 111 шел над Невой в сторону Смольного. Атаки пилота «Чайки» оказались безуспешными, боекомплект быстро закончился, ночная охота явно не складывалась. Не давая вражескому самолету уйти, Севастьянов таранил «хейнкель» и сам выбросился с парашютом. Обломки машин упали в Таврический сад.
Летом 1942 г. немецкая авиация предприняла ряд массированных налетов на Кронштадтскую военно-морскую базу. Прикрывал Кронштадт 71-й иап, имевший в то время около 20 истребителей И-153 и И-16. В период с 28 мая по 14 июля немецкая авиация потеряла в этом районе 24 самолета — 71-й иап потерь не имел. Комиссар полка И.И. Сербин за этот период сбил на И-153 три Не 111 лично и один в паре. В ночь на 3 июня 1942 г. Сербин находился в зоне ожидания на высоте 1000 м. Обнаружив вражеский «хейнкель», советский пилот атаковал его «эрэсами», после чего тот упал в районе горы Пухтола и взорвался. Возвращаясь в свою зону в районе острова Котлин, Сербии обнаружил еще один Не 111, освещенный прожекторами, и атаковал его с короткой дистанции. Вражеский бомбардировщик упал в воду на глазах у всего гарнизона Кронштадта.
В середине 1943 г. истребители И-153 под Ленинградом имелись в основном в составе авиации Балтийского флота. По нескольку «Чаек» имелось в 3-м, 4-м и 10-м Гвардейских истребительных авиаполках и 7-ом авиазвене ПВО, До десяти машин вплоть до июля базировались на острове Лавенсаари — в основном это были истребители. 10-го иап. Активизация вражеской авиации летом 1943 г., сложность перехвата немецких бомбардировщиков Ju 88 и Не 111, явное неравенство в схватках с появившимися Fw 190 привели к тому, что на Лавенсаари перебросили истребители Як-1 из 3-го гиап, а заслуженным ветеранам И-153 оставили второстепенные задачи.
Уже в ходе войны И-153 получили неожиданную специализацию. Созданные в конце 1941 г. ночные бомбардировочные полки на самолетах У-2, Р-5 и P-Z в течение первой военной зимы действовали вполне успешно. До наступления весны долгие темные ночи оставались верным союзником этих «небесных тихоходов». Но весной и особенно летом ночные бомбардировщики стали нести ощутимые потери от немецких воздушных охотников. Было принято решение для защиты «ночников» выделить истребители. «Чайки», обладавшие коротким взлетом и посадкой, как нельзя лучше подходили для этой цели.
Одним из первых в ноябре 1941 г. на базе 25-й авиационной школы в городе Невиномыске Ставропольского края сформировали 654-й ночной легкобомбардировочный авиаполк (нлбап) на самолетах У-2. Весной 1942 г. эта часть получила в дополнение к двум десяткам «кукурузников» эскадрилью из 8 И-153 и стала именоваться 889-й смешанный авиаполк. Летом 1942 г. полк успешно действовал на южном направлении во время боев за Донбасс. 25 августа полк отвели на переформирование в город Насосный севернее Баку. «Чайки» передали в 8-й иак бакинской зоны ПВО, а 889-й полк в течение зимы — весны действовал исключительно на У-2. Летом 1943 г. во время активизации боев в районе Керчи и Новороссийска «Чайки» вернули обратно. Теперь их основной задачей стало подавление зенитных средств и уничтожение прожекторов. Подобным образом применялись И-153 авиации Черноморского флота. Активное использование истребителей-бипланов по ночам на этом участке фронта отмечалось в течение всего 1943 г.
В начале 1942 г. советская фронтовая авиация имела немногим более двухсот самолетов И-153. К концу летнего сезона количество этих истребителей сократилось более чем вдвое. По состоянию на 1 июля на фронте имелось 83 «Чайки», из них 42 машины в 5-й воздушной армии.
Установление точного количества воевавших И-153 представляется затруднительным, ибо потери частично восполнялись ремонтом и поступлением из тыловых частей, многие подразделения «мигрировали».