В первый же день войны в 74-м шап была уничтожена вся материальная часть, в том числе и 47 «бисов». Аэродром Зводи находился всего в 14 км от государственной границы, поэтому потери происходили не только от воздушных налетов, но и от артиллерийского огня. На аэродроме Куровице, где базировались части 164-го и 66-го полков, сигнал тревоги прозвучал на рассвете. 164-й иап практически не пострадал при первой атаке благодаря быстрой мобилизации личного состава полка. Летчики 66-го шап не успели быстро прибыть на аэродром и рассредоточить самолеты. В результате налета погибло 34 машины — в основном И—15бис. Сильно пострадал 62-й шап в Киевском военном округе, считавшийся одним из наиболее подготовленных соединений.
В 127-ом иап (командир полковник Гордиенко) самолеты были рассредоточены и хорошо замаскированы на аэродроме Лесице. В течение 22 июня полк выполнил 180 боевых вылетов, летчики заявили о 20 сбитых самолетах противника.
Подобных примеров имелось множество, хотя понятно, что только отчаянные пилоты при управлении «бисом» могли рассчитывать на победу в воздушном бою. Именно в то лето 1941 г. как сами самолеты, так и их летчиков стали называть «бесенятами». Устаревшие бипланы использовались в основном для нанесения штурмовых ударов по наступающим немецким войскам. В условиях больших потерь и недостатка бронированных штурмовиков И—15бис, вооруженные бомбами и РС-ами, оказались вполне эффективным боевым средством.
Хорошая устойчивость в полете и потребность в малых взлетных площадках стали причиной активного использования «бисов» ночью. Среди 119 ночных авиаполков, сформированных в 1941 г., было два на И-15бис, полученных из летных школ. Согласно распоряжению командующего ВВС Западного фронта около 30 таких истребителей должны были использоваться днем в сложных метеоусловиях и для прикрытия аэродромов.
В мае 1942 г. в составе фронтовой авиации числилось 72 И— 15бис (из них 64 исправных). В июле были подведены итоги боевых действий ВВС КА за первый год войны (начиная с июля 1941 г.). Выяснилось, что в 6484 учтенных боевых вылетах было потеряно 60 «бисов», т.е. одна потеря приходилась на 108 самолето-вылетов. Такие показатели оказались заметно выше, чем у новых истребителей и штурмовиков Ил—2. Небоевые потери, т.е. в результате аварий и катастроф, составили всего 11 самолетов.
Несмотря на возрастающее поступление в войска новой техники, в 1943 г. старенькие полуторопланы, прошедшие не один ремонт, продолжали свою боевую деятельность. На 1 июня 1943 г. в составе действующей армии насчитывалось 32 И—15бис (главным образом в 7-й и 4-й воздушных армиях). Кроме того, в этот период до 40 «бисов» имелось в составе тыловых соединений ПВО и летных школах. Для большинства этих машин 1943 г. стал последним годом практического использования.
Черноморские «бисы»
Согласно данным МО СССР, в составе ВВС Черноморского флота к началу войны имелось 320 И—153 и И—15бис. Эти цифры примерно соответствуют наличию истребителей-полуторопланов, которые предстояло иметь авиации флота в соответствии с планами боевого развертывания — 387 штук. Распределение при этом выглядело следующим образом:
8- й иап 62-й авиабригады (г. Севастополь) —
30 И—153 и И— 15бис
32-й иап 62-й авиабригады (г. Симферополь) -70 И—153 и И—15бис
9- й иап 62-й авиабригады (п. Черноморское) — 64 И—153 и И—15бис 87-я оиаэ (г. Симферополь) — 45 И—153 96-я оиаэ (г. Николаев) — 40 И—153 93-я оиаэ (г. Новороссийск) — 70 И—153 и И—15бис.
Однако флотские данные о реальном наличии машин выглядят значительно скромнее — 155 экземпляров И—153 и И—15бис. «Чаек» имелось 73 штуки — остальные «бисы». При этом 65 И—15бис находилось в строю, 9 — в авиаремонтных мастерских, 2 — на складе, 6 — в ШМАС (школе младших авиаспециалистов).
Первыми на Черноморье вступили в войну истребители 96-й оиаэ, приписанной к Дунайской военной флотилии, прикрывающей Измаил. В середине дня 22 июня 1941 г. три И—153 и 14 И—15бис 96-й эскадрильи под командованием капитана А.И.Коробицина взлетели на перехват девятки румынских PZL Р—37 (по другим сведениям это были SM—79). Согласно донесениям летчиков им удалось сбить пять бомбардировщиков .