96-я эскадрилья действовала на подступах к Одессе до сентября 1941 г. В этом же районе воевал на И—15бис и 9-й иап. 10 августа пара истребителей 9-го иап прикрывала отход транспортного судна «Курск» из Николаева. В районе Днепровско—Бугского лимана пароход атаковали три бомбардировщика Do215. Один «Дорнье» удалось подбить, другой сбросил бомбы на большом удалении от цели. Третью вражескую машину пилот И—15бис лейтенант Черевко таранил, после чего выбросился на парашюте. В этот же день еще один таран на И—15бис совершил летчик 9-го иап В.Грек. На встречном курсе он врезался в ВП09 и погиб.
87-я эскадрилья Азовской флотилии, в составе которой официально числились И—153, на практике активно использовала И—15бис. 7 октября 1941 г. части 9-й армии, отступая перед напором немецких мотомеханизированных частей, прошли Мариуполь. Весь день вражеские самолеты бомбили город, железнодорожную станцию и суда Азовской флотилии. «Бисы» 87-й эскадрильи неоднократно вылетали на отражение налетов. Согласно докладу командира эскадрильи капитана Г.И.Агафонова он 7 октября сбил два Bfl 10 и два Ju88.
28 октября 1941 г. пара И—15бис 87-й аэ при проведении воздушной разведки бомбили аэродром в Мариуполе. В завязавшемся воздушном бою они сбили ВШ9. Еще пара «бисов» в этот день в районе Бердянской косы атаковала Не 111 и заявила о его уничтожении. Один наш самолет не вернулся.
При действиях с крымских аэродромов И—15бис из состава 62-й авиабригады ВВС ЧФ активно участвовали в отражении наступления немецкой 11-й армии на крымский перешеек. Созданная в сентябре 1941 г. специальная авиагруппа на советском аэродроме в Фрайдорфе (отсюда название авиагруппы — «Фрайдорфская») имела до 10—15 «бисов», которые использовались как штурмовики. Особенно успешными были удары по немецким колоннам 16 и 17 сентября, в них участвовали 12 И— 15бис и 4 И—16.
По состоянию на 22.07.42 г в составе 62-й авиабригады ВВС ЧФ насчитывалось 15 И— 15бис (из них 4 в ремонте). Еще 10 И— 15 бис имелось в 87-й авиаэскадрилье. В период активных боевых действий с 30 августа 1941 г. по 21 июня 1942 г. в 87-й эскадрильи кроме И—15бис были И—16, УТ—1 и УТ—2. Осенью количество боеспособных машин уменьшилось. Они часто использовались парами в отдельных операциях. 24 октября 1942 г. при ночной бомбардировке аэродрома Майкоп два И—15бис выполнили 15 атак по прожекторам и из восьми действующих прожекторов три уничтожили.
К 22.12.42 г. 20 И—15бис числились в составе 62-го иап ВВС ЧФ (из них 9 в ремонте). В начале 1943 г. «бисы» вместе с И—16 использовались для прикрытия плавсредств на переходах, для разведки, штурмовки вражеских войск, поддержки морских десантов. 5 февраля семь И—15бис сбросили 14 ящиков с боеприпасами новороссийскому десанту. 6 февраля грузы десанту сбрасывали четыре И—15бис. 8 февраля три И—15бис летали на снабжение крымских партизан.
В это же время советская авиация вела поиск и уничтожение вражеских судов. 13 февраля 1943 г. четыре И—15бис 62-го иап в 17.48 местного времени обнаружили вражескую подводную лодку в районе Геленджика. С высоты 100 м на лодку были сброшены 16 ФАБ—50 и 12 АО—25. По донесениям летчиков, они наблюдали на месте погружения лодки воздушный пузырь и обширное масляное пятно.
26 апреля 1943 г. два И—15бис 62-го иап вели поиск вражеских торпедных катеров. При возвращении в сложных метеоусловиях один самолет приземлился на аэродроме в Краснодаре, второй сел на воду в районе Геленджика и затонул.
22 мая 1943 г. пара И—15бис, прикрывая транспорты, в районе Джугби вели воздушный бой с немецкими самолетами. Пилоты заявили о трех подбитых вражеских машинах. 23 мая четыре И—15бис вели поиск экипажа подбитого МБР—2. Одна пара вела воздушный бой с парой Bf 109, один И—15бис был сбит.
В течение лета в 62-м иап действовало 10-12 И-15бис. Основными задачами оставались прикрытие и сопровождение транспортов и поиск вражеских судов. Неоднократно отмечались атаки вражеских подводных лодок.
В сентябре «Бисы» участвовали в операции по освобождению Таманского полуострова. Практически каждую ночь они вылетали на уничтожение немецких огневых точек и прожекторов. В ночь на 22 сентября 1943 г. 21 МБР—2 119-го авиаполка и 18 И— 15бис 62-го иап бомбардировали порт Тамань. Было уничтожено два катера, склад боеприпасов, несколько прожекторов.
В 1943 г. боевая деятельность И—15бис закончилась. В 1944 г. самолеты ограниченно использовались для тренировочных полетов.