В конце декабря 1939 г. для усиления авиации Северного флота из Белорусского военного округа перебросили эскадрилью И—16, И—153 и И—15бис, эскадрилью СБ. Все эти машины вошли в состав 72-го смешанного авиаполка, базирующегося на аэродроме Ваенга в районе Мурманска. На начало войны в полку числилось 11 СБ, 4 И-16, 17 И-153 и 28 И—15бис. 29 июня 1941 г. командир звена 72-го сап ст. лейтенант С.Уваров при отражении массированного налета немецкой авиации на И—15бис сбил Ju88.
Кроме этого в 1940 г. И—15бис и И—16 поступили в 145-й и 147-й иап, принадлежащие 1-й смешанной авиадивизии ВВС 14-й общевойсковой армии ЛВО. В середине года все И—16 сосредоточили в 145-м иап, а все истребители—полуторопланы перевели в 147-й иап. Оба полка вплоть до начала боевых действий базировались на аэродроме Шонгуй. К началу войны в 145-м иап было 56 И—16 различных типов, в 147-м иап — 56 И—153 и И—15бис («бисы» имелись в трех эскадрильях).
С началом войны 147-й иап (командир полка М.М.Головня) занимался отражением налетов вражеских самолетов, привлекался для атак по наземным целям. После рассредоточения его по разным аэродромам одна эскадрилья И—15бис была потеряна в результате налета немецкой авиации.
В начале июля 1941 г. в состав ВВС 7-й армии, прикрывающей петрозаводское направление, прибыл 65-й штурмовой авиаполк в составе 67 И—15бис (командир Герой Советского Союза майор В.И.Белоусов). Наиболее известным в этом полку стал командир эскадрильи капитан М.П.Краснолуцкий. Уже 8 июля восьмерка «бисов», ведомая Краснолуцким разрушила мост, взорвала склад боеприпасов, уничтожила артиллерийскую батарею. 12 августа 1941 г. при проведении штурмовки вражеской пехоты в районе Паннилы семерку «бисов» Краснолуцкого, атаковали шесть Bfl09. В завязавшемся воздушном бое Краснолуцкий таранил вражеский истребитель нижней плоскостью и после этого смог вернуться на свой аэродром. 16 января 1942 г. майору Краснолуцкому было присвоено звание Героя Советского Союза.
С созданием Карельского фронта 65-й шап вошел в состав 103—й авиадивизии. Боевая деятельность полка оценивалась вполне положительно. Согласно боевым донесениям с начала войны до марта 1942 г. штурмовые «бисы» уничтожили 25 танков, 683 автомашины, 13 самолетов, до 3 полков пехоты противника. За проявленные героизм и отвагу в начале марта полк преобразовали в 17-й гвардейский штурмовой. С этого момента 17-й гвардейский получил штурмовики Ил—2, а оставшиеся И—15бис передал вновь сформированному 828-му шап под командованием майора Краснолуцкого. Вновь прибывшим летчикам пришлось переучиваться на новый для них тип, т.к. до этого они летали на Р—5 и У—2. К этому моменту в составе полка имелось уже больше истребителей И—153. На рассвете 1 сентября 1942 г. 15 И—153 и 3 И-15бис 828-го шап нанесли удар по финскому аэродрому Гирвас, на котором базировались истребители Брустер «Буффало». Ударную группу прикрывали истребители 195-го иап. По донесениям летчиков штурмовка прошла успешно, при этом в завязавшемся воздушном бою удалось сбить три «Буффало».
При формировании в ноябре 1942 г. 7-й воздушной армии 828-й шап вошел в состав 261-й штурмовой авиадивизии. В эту дивизию также вошел 839-й иап, летающий на И—153 и И— 15бис. В феврале 1943 г. полк преобразовали в 839-й штурмовой (командир П.И.Богданов).
В ограниченном составе эти полки эксплуатировали старую технику в ходе всего 1943 г. В дальнейшем, к 1944 году, они получили штурмовики Ил—2.
В составе авиации Северного флота самолеты И—15бис применялись наиболее часто, в основном для выполнения вспомогательных задач.
В 1942 г. в губе Белушья на Новой Земле оборудуется новоземельская военно-морская база, имеющая якорные стоянки для кораблей, опорные пункты, посты наблюдения и связи.
Корабельные силы на первом этапе состояли из 15 тральщиков и строжевиков, выделенных из Беломорской флотилии. Противовоздушную оборону вела эскадрилья истребителей И-15бис и И—153 54-го сап и самолеты МБР-2.
В течение 1942—1944 гг. И—15бис из 54-го сап постоянно вели в районе новоземельской базы воздушную разведку. Так, 23 июля И—15бис на подходе к губе Белушья обнаружил вражескую лодку и сбросил на нее две ФАБ—50. Понятно, что уничтожить лодку обычными фугасными авиабомбами было невозможно, однако даже отпугивающий характер действий при недостатке средств играет положительную роль.
Базируясь на Новой Земле, несколько И—15бис и И-153 несли свою службу до окончания боевых действий. Последний И—15бис №5387 из состава 54-го сап списали 1 октября 1945 г. В этот же день списали последнюю «чайку» - И-153 №8148.