ЦКБ-3бис имел стабилизатор меньшей площади и руль с более заостренным кончиком, в то время как серийный И-152 имел более высокий стабилизатор и руль, более закругленной формы чем у прототипа.
Вооружение И-152 осталось тем же самым что и на И-15 – четыре пулемета ПВ-1, калибра 7,62 мм. Опытный ЦКБ-3бис не имел никаких приспособлений для подвески дополнительного вооружения, но все И- 152 получали по два бомбодержателя под каждым нижним крылом, на которые могли подвешиваться авиабомбы.
Таким образом, И-152 мог нести следующую бомбовую нагрузку – две бомбы калибра 50 кг, четыре – 25 кг или восемь – 10 кг. Типы бомб – АО- 10, А0-20М или бомбы ФАБ-50М, или ЧАБ- 25, АОЧ-15 (химические). Вместо бомб, на те же бомбодержатели могли подвешиваться два 80 литровых дополнительных топливных бака. Эти четыре бомбодержателя могли быть заменены четырьмя направляющими для реактивных снарядов РС-82.
В ходе боев Великой Отечественной войны во многих авиационных полках, имевших на вооружении И-152, с самолетов снимались обтекатели колес шасси и кок воздушного винта В-25. В зимние месяцы на самолеты устанавливались посадочные лыжи различных типов. В большинстве случаев лыжи устанавливались с лентами-растяжками, крепящимися к фюзеляжу и капоту двигателя. Другая фронтовая модификация состояла в том, что стандартная хвостовая опора часто заменялась хвостовым колесом, использовавшимся на И-153. Эти хвостовые колеса снимались с разбитых И-153.
Большинство И-152 поставлялись с заводов окрашенными в оливково-зеленый цвет (верхние поверхности) и светло-голубой цвет (нижние поверхности). В то время, значительное количество красителей, использовавшихся в советской авиационной промышленности импортировалось из Германии и, в результате, цвета, используемые для окраски советских довоенных истребителей, были очень похожи на те, которые использовались и для немецких самолетов. До лета 1941 года, знаки национальной принадлежности наносились на верхней части верхнего крыла и нижней – нижнего крыла, а также на фюзеляже. В этот период красная звезда имела вписанный в нее черный круг и тонкую черную окантовку. Внутренние стойки обычно окрашивались в евегло-голубой цвет, хотя некоторые машины имели внутренние стойки темно-зеленого цвета. Тактический номер обычно наносился на руле и имел окантовку светло-желтого цвета. Имелось множество вариантов написания цифр тактических номеров, использующихся в различных авиационных полках, которые имели на вооружении истребители И-152.
В начале Великой Отечественной войны ряд И-152, нес двухцветную камуфляжную окраску. Некоторые самолеты имели оливково-зеленую/светло-зеленую схему окраски, другие оливково-зеленую/чернозеленую схему на верхних поверхностях и светло-голубую окраску на нижних поверхностях. Часто красные звезды на верхних поверхностях крыла вообще не наносились. Кроме того, от малого черного круга вписанного внутрь звезды также отказались. Некоторые самолеты имели вторую красную звезду, с тонкой черной обводкой на стабилизаторе, в то время как тактический номер перемещался на борта фюзеляжа.
Боевые действия
18 сентября 1931 года, японские войска вторглись в Манчжурию, основав там новое государство во главе с марионеточным японским правительством. 12 марта 1936 года СССР подписал договор о взаимной помощи с Монгольской Народной Республикой, тем самым, подав японцам отчетливый сигнал, относительно необходимости сохранения независимости Монголии.
Серия вооруженных столкновений между советско-монгольскими и японскими войсками на манчжурско-монгольской границе, которая началась в 1936 году, переросла в настоящую, хотя и необъявленную войну, вспыхнувшую 11 мая 1939 года, в районе реки Халхин-Гол. Численность армейских и военно-воздушных сил, участвовавших в боях, была даже больше чем войск использовавшихся в ходе гражданской войны в Испании. Командующим советской авиацией в районе боевых действий был назначен Яков Смушкевич (ранее руководивший советским воздушным контингентом в Испании).
Истребительный полк под командованием майора В.М.Забалуева. оснащенный И- 152, вскоре встретился в небе Монголии с японским истребителем-монопланом Nakajima Тип 97. Действия авиации в районе конфликта отличались высокой активностью и схватки, в которых участвовало по 90 -100 самолетов не являлись здесь редкостью. 22 июня 1939 года, приблизительно 95 советских истребителей И-152 и И-16 встретились в бою с более чем 120 японскими самолетами. Когда это воздушное сражение закончилось, потери сторон составили тридцать четыре японских, и четырнадцать советских самолетов.
Опыт, полученный в Китае и особенно Монголии, с очевидностью продемонстрировал, что, несмотря на попытки организации взаимодействия между маневренным И-152 и скоростным И-16, боевые возможности таких смешанных групп, имеющих относительно низкую скорость, не соответствовали возможностям современных японских истребителей. Отставание характеристик И-152 вынудило советских пилотов вырабатывать свою собственную тактику противодействия японским монопланам.
Хотя к 22 июня 1941 года – моменту вторжения немецких войск в Советский Союз, истребители И-152 уже устарели, они, тем не менее, приняли активное участие в воздушных боях на Восточном фронте. В первый же день, немецкие Люфтваффе уничтожили на аэродромах не менее 1,5 тыс. советских самолетов, стоящих рядами на летных полях в Латвии, Эстонии, Литве и Украине. Значительное число из них составляли истребители Поликарпова. С потерей такого количества самолетов советские военно-воздушные силы прекратили существовать в качестве угрозы немецкому превосходству в воздухе.
Истребители И-152, использовались главным образом для поддержки наземных войск, и только немногие из них выступали в качестве чистых истребителей. Способность самолета к пикированию, вооружение и экстраординарная прочность конструкции сделали его неплохим штурмовиком. Большинство И-152, уничтоженных в результате первоначальных атак Люфтваффе на Украине и в Прибалтике входили в состав штурмовых полков советских военно-воздушных сил.
Одним из штурмовых полков вооруженных И-152, воевавших на фронте, был 653-й полк. Он был сформирован в декабре 1941 года на базе авиационной школы во Ржеве. После краткого тренировочного периода, полк был объявлен боеспособным, и переброшен на крымский участок фронта. Хотя номинально полк и считался истребительным, но его самолеты выступали главным образом в роли истребителей-бомбардировщиков. Перед тем как полк вступил в бой, основной задачей его наземного персонала была адаптация И-152 для нанесения штурмовых ударов, так как самолет не имел бомбардировочного прицела.
Чтобы решить эту проблему один из пилотов предложил наносить две линии на переднем козырьке кабины. Пилоты использовали эти линии в ходе бомбометания с пикирования. Бомбы сбрасывались, когда размеры видимой цели укладывались между линиями. Это был не лучший выход, но в тех условиях, когда заводы не производили бомбардировочных прицелов, ничего другого не оставалось. При этом возникали вопросы – в каком месте наносить линии на козырьке, и на каком расстоянии будет находиться цель, когда она уложится между линиями, а также каков должен быть угол пикирования? Чтобы найти ответы на эти вопросы, для разработки подобной тактики в полку были сформированы две группы. Первая состояла из опытных пилотов, и вторая из пилотов среднего уровня.
Сначала, пилоты пробовали найти правильное расстояние между линиями при угле пикирования в 45 градусов. В ходе первых полетов, маркировка была нанесена на козырьке и бомбы, сбрасывались с высоты 600 метров, но точность попаданий была невысока. Позже, расстояние между линиями было изменено, и И-152 производил бомбометание с высоты 200 метров со значительно лучшими результатами.
Позже, каждый пилот тренировался с наиболее удобным для себя углом пикирования и высотой сброса бомб. Дополнительно, пилоты были должны разработать тактику для применения реактивных снарядов РС-82.
В своем первом вылете с подвешенными РС-82, пилот В. Кубанеев сбил этими реактивными снарядами немецкий истребитель Messerschmitt Bf-109. 653-й истребительный авиаполк использовал И-152 до июня 1942 года, хотя имелся ряд полков штурмовой авиации, в которых И-152 применялись вплоть до 1943 года.
Один авиаполк морской авиации Северного флота был оснащен И-152 в качестве истребителей первой линии. Это был 72-й смешанный полк, имевший в своем составе двадцать восемь И-152. До середины июля 1943 года, это была единственная флотская группа этих истребителей, они участвовали в боевых действиях у полуострова Кола Пенинсула (Kola Peninsula). Истребители И- 152 также использовались полком морской авиации на Черном море, это был 8-й истребительный полк, базировавшийся на аэродроме Кача, под Севастополем.