Появление нового истребителя было отмечено японской стороной. Через несколько дней токийская газета «Иомиури» писала о появлении у «красных» нового истребителя, ошибочно названного И-17.
В начале августа 1939 г. для прохождения войсковых испытаний в боевых условиях на фронт прибыла группа И-153 в составе 13 машин. Эти самолеты, которые сопровождала группа заводских специалистов под руководством инженера Карева, поступили в 22-й авиаполк майора Кравченко. 13 И-153 участвовали в боевых действиях с 9 августа по 6 сентября 1939 г. Общий налет для всех машин составил 572 часа. Количество боевых вылетов в отдельные дни доходило до пяти-шести. Особенно жарко пришлось в период советского наступления с 25 по 30 августа. Из вновь прибывших самолетов до 6 сентября было потеряно две машины, «командировку» закончили 11 И-153.
В этих боевых испытаниях приняли участие самолеты с двигателями М-62, оснащенные воздушными винтами фиксированного шага. Один самолет (№ 6071) был оснащен воздушным винтом изменяемого шага (ВИШ) типа ВВ-1. Выяснилось, что машина с ВИШ имеет значительно меньшее время разбега на взлете — 6 секунд по сравнению с 15 у остальных самолетов. К недостаткам новых самолетов относили малый ресурс и ненадежность двигателей М-62, которые обычно заменялись через 60 — 80 часов налета из-за отказа двухскоростного нагнетателя. Имелись мелкие замечания по планеру, наблюдался обрыв несущих лент-расчалок. Особо отметили сильное задувание через ниши шасси — в случае пожара (при отсутствии противопожарной перегородки) пилот в считанные секунды получал обширные ожоги, не успевая ничего предпринять — так, например, произошло с летчиком Ковалевым.
В целом «Чайка» по результатам боевых действий признавалась неплохим самолетом, по крайней мере, японских машин, ее превосходящих, в Монголии встречено не было. Отмечалось, что И-153 имеет преимущество в скорости и маневренности перед И-97 на всех высотах. Однако японский истребитель быстрее разгонялся на пикировании, чем неоднократно пользовались японские пилоты.
Всего до окончания боевых действий в Монголию прибыло 70 И-153. Они состояли на вооружении трех истребительных полков: 22-го, 70-го и 56-го. К 20 августа 1939 г. общее количество истребителей в составе ВВС 1-й армейской группы выглядело следующим образом:
70-й иап — 77 И-16, 2 И-15, 30 И-153;
22-й иап — 82И-16, 1 И-15, 13И-153;
56-й иап — 64 И-16, 18 И-15, 24 И-153.
За период с 28 июля по 15 сентября 1939 г. советская сторона потеряла 22 «Чайки»:
И-153 в советско-финляндской войне.
Война с Финляндией длилась с 30 ноября 1939 г. по 13 марта 1940 г. В боевых действиях ВВС Красной армии использовали три типа истребителей: И-15бис, И-16, И-153.
Количество И-153 в первый период боевых действий было незначительным: 102 экземпляра насчитывалось в ВВС 7-й армии (из них в ВВС ЛВО 47 И-153) и одна эскадрилья 56 сап в количестве 17 машин в составе ВВС 14-й армии. В составе ВВС Краснознаменного Балтийского флота из общего количества истребителей (246) И-153 насчитывалось всего 22 экземпляра в составе 61-й и 10-й авиабригад.
Первый этап боевых действий проходил в условиях плохой погоды. Отмечалось много случаев потери летчиками ориентировки. Истребители в этот период использовались для разведки и штурмовки наземных объектов. Значительная часть И-153 из состава 54-й авиабригады несла службу в противовоздушной обороне Ленинграда.
Позднее истребители всех пяти наземных армий использовались преимущественно для нанесения ударов по наземным объектам. В феврале — марте 1940 г. боевые действия активизировались. С участием И-153 произошел ряд воздушных боев. Ниже приводятся отдельные известные случаи, описанные в советских донесениях.