По своим летным характеристикам и боевым возможностям самолет оценивался как один из наиболее выдающихся в своем классе. Он обладал рекордно малым временем виража - 12 секунд.
Самолеты И-15бис находились в строю Военно-воздушных сил Красной Армии до 1945, а в Монголии использовались еще несколько лет после этого. Поставленные в 1939 г. в количестве 30 экземпляров в Испанию, где получили обозначение "Супер Чато" - И-15бис летали там до середины 1940-х годов.
Одним из вариантов И-15бис является учебный самолет, известный как "Двухместный тренировочный истребитель" или сокращенно ДИТ.
