Ya en el año 1930, uno de los más inspirados diseñadores aeronáuticos de la Unión Soviética, Nikolai Nicolaevich Polikarpov, en estrecha colaboración con otro acreditado constructor ruso de aviones, Dimitri Pavlovich Grigorovich, había desarrollado un caza que para su época mostraba descollantes características que le situaban entre los mejores de su tiempo. El I-5 (la I indica Istrebitelnia = caza), que así fue denominado este aparato, era el primer caza ruso producido en gran serie que serviría para preparar a la industria aeronáutica soviética con vistas a la construcción masiva de aviones.

En 1.933 Polikarpov volvió a ocupar un puesto directivo junto con A.G. Trostyanki en la GAZ 36 e inicio la tarea de diseñar y construir los prototipos de los cazas que deberían sustituir a los I-5 e I-6. Ya desde el Primer Plan Quinquenal, las autoridades soviéticas habían decidido el encargar dos modelos sustitutivos para no correr riesgos en el desarrollo de un sólo modelo, evitando con ello el quedarse en la Fuerza Aérea sin recibir nuevo material. Nacen en esta ocasión los modelos I-15 e I-16.

Polikarpov, aunque se había manifestado partidario de la fórmula monoplaza con trabajos tales como sus cazas I-1 e I-10, tomó el I-5 como base para un modelo de avión de caza de mayor rendimiento aún. Nace así a partir del I-5, el prototipo biplano TsKB-3, diseñado en la TsKB (Oficina Central de Diseño). De concepción más ortodoxa, fue concebido como un biplano de estructura mixta, algunos detalles le hacían un modelo tradicional pero moderno. El TsKB-3 se distinguía por su plano superior, en gaviota con su sección central unida al fuselaje, lo que le permitía un excelente campo visual hacia arriba y bastante despejada hacia adelante por parte del piloto. a la par que simplificaba enormemente la sujeción de los planos, montantes interplanos en I y por sus aterrizadores principales de patas independientes cantilever en cuyas ruedas se podían montar carenados aerodinámicos, lo que configuraban un tren de aterrizaje limpio y en voladizo, es decir sin riostras ni montantes para su sujeción. Aunque de dimensiones muy similares a las de su antecesor, el I-5, se habían realizado numerosos esfuerzos por reducir el peso estructural con un cuidadoso diseño de la célula. Esta era de construcción mixta, el fuselaje en duraluminio con revestimiento textil y las alas bilargueras de madera, también con revestimiento de tela; los dos planos, de los que el inferior quedaba desplazado hacia atrás, presentaban distinta longitud y cuerda, mayores para el superior que era el único que contaba con alerones. La unión entre ellos estaba confiada a dos montantes carenados en forma de I y a cables tensores en X. Entre el motor y la carlinga del piloto se hallaba alojado un depósito con capacidad para 260 litros de combustible. A ambos lados de la carlinga se abrían dos ventanillas para facilitar la visibilidad lateral del piloto en las maniobras de despegue y aterrizaje, ya que su visión en estos sectores quedaba muy limitada por la disposición del plano superior.

A fin de satisfacer la urgente necesidad de un nuevo caza monoplaza para las Fuerzas Aéreas de la URSS, el desarrollo de este tipo fue muy rápido y Valeri P. Chkalov efectuó el primer vuelo en octubre de 1.933. El TsKB-3 estaba dotado con un motor radial importado Wright Cyclone SGR-1820-F3 de 9 cilindros en estrella, que desarrollaba una potencia de 710 cv. desde el nivel del mar hasta los 2.100 metros de altitud y encerrado bajo un capot anular Townend. El armamento del prototipo permaneció idéntico al del I-5, es decir dos ametralladoras Nadashkevich PV-1 (derivadas de la famosa Maxim) de 7,62 mm. a ambos lados del fuselaje disparando a través de los cilindros del motor. Las evaluaciones fueron intensas y satisfactorias, y la producción del modelo comenzó a principios de 1.934, entregándose los primeros aparatos a las escuadrillas de caza de la V.V.S. (Voenno Vosdushnie Sili = Fuerzas de la Aviación Militar) a finales del mismo año. El modelo de serie incorporaba algunas mejoras (la sustitución de la hélice bipala de madera por otra semejante de paso ajustable en tierra y metálica, entre otras), pero desdichadamente la factoría GAZ 19 había comenzado recientemente la producción de los M-25 y los escasos ejemplares iniciales fueron destinados al monoplano I-16. Ante la ausencia de una planta motriz más potente, los 404 primeros aviones de la serie I-15 Chaika (Gaviota) construidos antes de 1.936 montaron el motor radial M-22 de 480 HP., que limitaba la velocidad máxima a unos 320 km/h. Los 59 aviones siguientes (Guerrero no los indica en su libro) llevaron motores Cyclone SGR-1820-F3 con hélices bipalas Hamilton de dos posiciones (importado todo ello); el prototipo de este lote fue evaluado en noviembre de 1935 bajo la denominación TsKB-3bis.

Todos estos primeros aviones estaban armados con dos ametralladora PV-1, pero los 270 últimos I-15 (construidos a partir de finales de 1.936), fueron propulsados por el motor soviético M-25 (dado que la producción del motor así lo permitía) accionando una hélice AV-1 (desarrollada de la Hamilton), que desarrollaba una potencia de 635 cv. -inferior a la de su modelo americano- que pudo finalmente ser incrementada hasta los 715 cv. Montaban una batería de cuatro ametralladoras Nadashkevich PV-1 instaladas en torno al motor, dos en su parte superior y las otras dos en posiciones laterales, sincronizadas todas ellas con el giro de la hélice. Su calibre era de 7,62 mm. y la cadencia unitaria de tiro de 780/900 disparos por minuto. La dotación por arma era de 500 cartuchos para las superiores y de 1.000 para las situadas en los laterales. Avanzada la producción del I-15, estas ametralladoras, de limitada potencia de fuego, fueron sustituidas por las más avanzadas ShKas (de Shpitalny y Komaritsky), también de calibre 7,62 mm., pero de una cadencia de 1.500/1.800 disparos por minuto, lo que hacía que las cuatro armas confiriesen al avión la nada despreciable potencia de fuego de 6.000/7.200 disparos por minuto.

Pensada la posibilidad de empleo de estos aparatos en operaciones tácticas se les dotó asimismo de soportes bajo el plano inferior para dos bombas de 12 kg. y otras dos de 5 kg.

Los últimos I-15 fueron entregados a sus unidades en 1.937, y parece probable que cierta cantidad de los aparatos propulsados por el M-22 fuese más tarde remotorizada con el nuevo M-25.

El I-15 era, para su tiempo, un caza excelente con buenas prestaciones y, sobre todo, una maniobrabilidad excepcional. Con respecto al I-5, su reducida carga alar unida a un incremento de potencia motriz de casi un 50 por 100 dieron por resultado un significativo aumento de la maniobrabilidad, un marcado incremento en la velocidad ascensional a todas las altitudes y un más amplio margen de velocidades. La suma de todos estos factores le hicieron similar a los mejores y superior a la mayoría de los cazas extranjeros en servicio.

El 29 de noviembre de 1935, el piloto de pruebas Wladimir K. Kokkinaki (quien más tarde ostentaría la presidencia de la Federación Aeronáutica Internacional) obtuvo, con un aparato especial, denominado TsKB-3bis desprovisto de todo el equipo prescindible, hasta tal extremo que el propio piloto se sentaba sobre un tablero de contrachapado y dotado de un motor Wright Cyclone SGR-1820-F3 (según otros un M-25) un I-15, una altitud de 14.575 metros, superando en 152 metros el récord establecido durante el año anterior por el piloto italiano Renato Donati a bordo de un Caproni Ca-113AQ especialmente acondicionado. La víspera, Kokkinaki había alcanzado por 13.000 m. El vuelo de récord, efectuado a partir del aeródromo central de Moscú, duró una hora. Kokkinaki, en su carlinga descubierta, hubo de soportar una temperatura de -60° llevando como único equipo una combinación de vuelo forrada y una máscara de oxígeno. Por otra parte no llevaba gafas protectoras puesto que en sus tentativas precedentes había podido comprobar que la escarcha las hacía inútiles. La carga alar de este aparato quedaba reducida a 58 kg/m.2 ya que se había suprimido el armamento, el blindaje, la mayor parte del equipo general y de los instrumentos, y hasta el asiento, que fue sustituido por uno de contraplaqué. Al no ser por entonces la URSS miembro de la F.A.I., este récord no fue reconocido fuera de la Unión Soviética y por lo tanto no fue homologado.

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