El total de la producción de estos aviones fue realizada en la GAZ (Fábrica del Estado) número 36, mientras que mediado el año 1.937 se iniciaba la de su sucesor, el más potente I-15bis o I-152. La razón principal de este nuevo desarrollo puede encontrase en la viva polémica que, en el seno de la V-VS y, sobre todo, entre los técnicos del NII VVS (Nauchnoissledovatelsky institut V-VS, Instituto de investigaciones científicas de las Fuerzas Aéreas) se había desatado tras la entrada en servicio del Polikarpov I-15. Se argüía que la característica sección central del plano superior en W invertida o gaviota era la causante del elevado porcentaje de accidentes que el nuevo biplano de caza había sufrido en las unidades y que fue una de las "cualidades" menos apreciadas del Chato. Polikarpov argumentaba, sin embargo, que el ala en gaviota ofrecía unas excelentes prestaciones aerodinámicas, por ejemplo, con la sustentación adicional que proporcionaba en virajes cerrados, evitando con ello la pérdida de altura consiguiente y mejorando sus habilidades en giro sostenido, una cualidad fundamental en el combate aéreo. La disputa llegó a tal punto que se llegó a detener la producción a principios de 1.936, cuando ya se habían entregado 392 aparatos con motor M-22 y otros 59 con el Wright Cyclone importado. La solución, al menos momentánea, fue un compromiso: al principio de 1.937 se reasumió la producción en la GAZ 36, mientras la GAZ 21 comenzaba la fabricación del utillaje de una nueva variante con ala superior recta. El nuevo avión no era mas que un I-15 dotado de un motor más potente, el M-25V de 750 CV a 2.900 m. En el se perdía el ala en gaviota en favor del ala recta, lo que permitía una mayor visibilidad hacia adelante y abajo. A cambio, como había previsto Polikarpov, el nuevo avión había perdido algo de capacidad en giro sostenido.

El prototipo, denominado TsKB-3ter, voló a principios de 1.937, a pesar de que su desarrollo lo había iniciado Polikarpov tres años antes. El nuevo aparato lucía una célula biplana convencional, con superficie alar y envergadura aumentadas. La sección central se apoyaba en montantes en cabaña y la capacidad de combustible había crecido, al tiempo que se le instalaba bajo los planos inferiores sendas fijaciones para dos tanques de combustible suplementarios de 100 litros cada uno. Las ametralladoras PV-1 habían sido sustituidas por igual número de ShKAS de 7,62 mm. y el motor estaba ahora carenado con un capó de mayor cuerda en lugar del anillo Townend del I-15. Sólo cuando, en 1.936, estuvieron disponibles cantidades suficientes del nuevo motor se inició el proceso final de desarrollo y su posterior fabricación en serie, en la GAZ 21.

Por insistencia de Polikarpov se desarrolló una versión biplaza, denominada I-152DIT, con menor capacidad de combustible y armada de dos ametralladoras para cubrir el entrenamiento.

A principios de 1.939 cesaba la producción del I-152 del que la CAZ 21 había fabricado 2.408 ejemplares, siendo destinados la mayoría de ellos a equipar las unidades de la VVS que operaban junto a la frontera de Mongolia, Siberia y Manchuria.

Este modelo fue utilizado contra los japoneses en Chenkufen, sobre la frontera con Manchuria, durante 1.938.

Los primeros informes de España, por otro lado, habían inducido a creer a algunos técnicos del NKAP, el Narodny Komissariat Aviatsonnoi Promyshlennosti (Comisariado Popular de la Industria Aeronáutica), que el biplano aún tenía un lugar en una aviación militar moderna. El hecho de que el monoplano I-16, a pesar de su mayor velocidad y armamento, hubiese experimentado dificultades para enfrentarse a los ágiles Fiat CR.32 y de que el I-15 destacase en los combates aéreos gracias a su excelente agilidad, convenció de la necesaria cooperación entre los dos tipos de cazas, tal como estaban actuando en España unos (con los I-15 en la melée y los I-16 como cobertura superior) y otros (con los CR.32 y Bf 109, respectivamente). Desde mediados de 1937 se celebraron numerosas reuniones entre las cabezas rectoras del Comité Central del Partido, jefes de la VVS y representantes del NKAP y del GUAP (Gtavnoe Upravlenie Aviatsionnoi Promyshlennosti, directorio superior de la industria aeronáutica). El propio Stalin participaría en algunas de ellas. De todas las discusiones surgieron decisiones: habría que mejorar el armamento de los cazas, especialmente aumentando su potencia de fuego contra los bombarderos, debería cambiarse el sistema y la intensidad del entrenamiento, introducir nuevas formaciones de vuelo (patrullas o "zvenoi" de cuatro aviones en lugar de tres) y abrirse nuevamente el desarrollo de cazas biplanos. Polikarpov, cuyos I-15 e I-16 habían sido criticados por su tren fijo y por su difícil pilotaje a bajas velocidades respectivamente, afirmó repetidas veces que los aviones podrían recibir mejoras durante sus procesos de fabricación y recibió una vez más la tarea de concebir el sucesor del caza en servicio, esta vez el I-152, pero para ello designó a uno de sus diseñadores más destacados de su equipo, Aleksei J. Shcherbakov. La decisión de Polikarpov se debió probablemente a exceso de trabajo, aunque se ha insinuado que por estas fechas no tenía ya ningún interés en los biplanos. Shcherbakov recibió instrucciones de partir para su nuevo proyecto del I-15 e I-152, en parte por acelerar los trabajos y en parte por facilitar la entrada en producción. El 11 de octubre de 1937 el proyecto recibió el visto bueno oficial, adjudicándosele la designación de I-153 ó I-15ter.

Como fiel discípulo de Polikarpov, Shcherbakov (quien por ciento estuvo auxiliado en esta tarea por una pareja más tarde famosa, los ingenieros Artem I. Mikoyan y Mijail Gurevich) eligió la fórmula "en gaviota" del I-15, pero adoptó el perfil alar Clark YH del I-152 para su nuevo biplano. La principal novedad sin embargo parecía obvia: un tren de aterrizaje eclipsable que permitiera mejorar las prestaciones en velocidad y trepada, así como una nueva planta motriz más potente, aunque el prototipo estaría dotado del M-25V (ó B) del modelo anterior. El armamento sería ya de cuatro ametralladoras ShKAS (Shpitalny-Komaritsky Aviatsionny Skorostrelny, arma de tiro rápido de aviación Shpitalny-Komaritsky) KM36, armas de reciente diseño en lugar de las PV-1 (Pulemot Vozdushny, ametralladora-aviación), más anticuadas por ser un desarrollo de las conocidas Maxim realizado por Nadashkevich. La nueva arma, con un peso de sólo 10 kg y una extraordinaria cadencia de tiro de 1.800 a 2.000 dpm gracias a su sistema de actuación por toma de gases, tenía una velocidad inicial de 825 m/s. A pesar de que los aviones de serie no fueron dotados de equipo de radio al prototipo se le instaló un receptor monocanal RSI-3. El primer vuelo se realizó en 1938 e inmediatamente se iniciaron los preparativos en la GAZ 1, a la que se le unió muy pronto la GAZ 156, también cercana a Moscú. Los aparatos de preserie completaron en el otoño de ese año sus pruebas de aceptación y los primeros ejemplares se entregaron a finales de la primavera de l 939 produciéndose en total 3.437 aviones de este modelo terminando su producción en el verano de 1.940.

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