Созданный на основе модели И-5, опытный биплан ЦКБ-3, спроектированный Поликарповым, отличался вмонтированным в фюзеляж верхним крылом, I-образными межкрыльевыми стойками и свободнонесущими балочными основными стойками шасси, на которые можно было установить обтекатели колес. В. П. Чкалов совершил на нем первый полет в октябре 1933 г. На самолет ЦКБ-3 был установлен импортный звездообразный двигатель Райт Циклон (Wright Cyclone) SGR-1820-F3 мощностью 529 кВт (710 л.с.), имевший кольцевой капот Тауненда.

Производство началось в 1934 г., и, поскольку не было более мощного двигателя, 404 серийных самолета И-15 Чайка, построенных до 1936 г., имели звездообразный двигатель М-22 мощностью 358 кВт (480 л.с.), который ограничивал максимальную скорость до 320 км/час (199 миль/час). Следующие 59 самолетов имели двигатель Циклон SGR-1820-F3 с двухлопастным винтом Гамильтона (Hamilton). И двигатели, и винты были импортированы из США, а опытный самолет этой партии испытывался под обозначением ЦКБ-3бис в ноябре 1935 г. 21 ноября с самолета ЦКБ-3бис было снято все лишнее, и он поднялся до рекордной в СССР высоты 14575 м (47818 футов), пилотируемый Владимиром Коккинаки. Все эти самолеты были вооружены спаренными синхронизированными пулеметами ПВ-1, но последние 270 машин, оборудованные советским двигателем М-25 с винтом АВ-1 (созданными соответственно на основе силовой установки Райт и винта Гамильтон), имели по четыре пулемета. Последние самолеты И-15 были поставлены в 1937 г., на некотором количестве самолетов с двигателями М-22 впоследствии были установлены моторы М-25.

Истребители И-15 зарекомендовали себя как очень маневренные и эффективные машины. Они сражались с японцами на маньчжурской границе в 1938 г., и 155 машин воевали на стороне республиканцев в 1937 г. в Испании, где были вооружены двумя пулеметами ШКАС и назывались "Чато" (курносый). Правительство Испании построило по лицензии 287 самолетов И-15. Летные испытания прошли 12 экземпляров варианта самолета И-15 с прямым верхним крылом, в начале 1937 г. совершил полет опытный самолет ЦКБ-3тер; он имел более мощный звездообразный двигатель M-25В, расположенный под капотом с длинной хордой, и модифицированное шасси с обтекателями колес; отличался верхним крылом, обычный центроплан которого был прикреплен к фюзеляжу с помощью пары скошенных N-образных стоек. Задняя кромка этого крыла имела вырез прямо над кабиной пилота. Как и на самолете И-15, элероны имелись только на верхнем крыле. Получивший обозначение И-15бис или альтернативное И-152, этот истребитель первоначально был вооружен четырьмя синхронизированными пулеметами ПВ-1 калибра 7,62 мм (0,3 дюйма), но на более поздних моделях они были заменены более эффективными пулеметами ШКАС того же калибра; небольшое количество машин летало со спаренными пулеметами БС калибра 12,7 мм (0,5 дюйма). Самолет И-15 переносил четыре бомбы массой 20 кг (44 фунта) на подкрыльевых креплениях, а модель И-15бис имела максимальную бомбовую нагрузку 150 кг (331 фунт).

Производство истребителей И-15бис было прекращено в начале 1939 г. на 2408-м экземпляре. Они использовались в операциях против японцев в 1938-39 гг. и сыграли важную роль в зимней войне 1939-40 гг. против Финляндии. Примерно 93 самолета были переправлены через Францию в республиканскую Испанию для подкрепления самолетам Чато (Chato) в последние месяцы 1938 г. Из них только 30 достигли пункта назначения, но они приняли незначительное участие в боевых действиях и вернулись обратно во Францию перед падением Испанской республики в 1939 г. Самолеты этого типа были прозваны "Супер Чато" ("Super Chato"). В 1937-38 гг. четыре советские эскадрильи были направлены в Китай, подвергшийся нападению Японии. К ним присоединилось еще не менее 186 истребителей И-15бис, поставленных военной авиации Китая, но они имели переменный успех, так как в последний период их превзошли японские истребители.

В июне 1941 г. более 1000 истребителей И-15бис продолжали использоваться в советских ВВС. Большинство из них, однако, использовались для ближней поддержки и атак наземных целей, до того, как их заменил штурмовик Илюшина Ил-2. Многие из них были потеряны в первые месяцы немецкого вторжения, и к концу 1942 г. этот тип самолетов исчез из состава фронтовых подразделений.