Polikarpov asignó la tarea al equipo de diseño liderado por Aleksei Ya Shcherbakov, que era ayudado por Artiom Mikoyán y Mijaíl Iósifovich Gurévich (que más tarde fundarían el buró de diseño MiG).

[3]​ El nuevo caza (denominado I-15ter por el buró de diseño e I-153 por la VVS, la Fuerza Aérea Soviética)[4]​) estaba basado en el diseño del I-15bis, con una estructura más resistente, pero iba equipado con un tren de aterrizaje retráctil accionado manualmente para reducir la resistencia al aire.

[4]​ El primer prototipo no pasó las pruebas de fábrica debido a numerosos defectos, aunque estas deficiencias no detuvieron su producción, iniciándose esta al mismo tiempo que las pruebas y su desarrollo.

Mientras que la velocidad a nivel del mar era virtualmente la misma, el nuevo motor mejoró su desempeño en altitud.

Sin embargo, los resultados fueron decepcionantes y era dolorosamente obvio que el caza biplano no podía alcanzar mayores velocidades.

Una de las características rara vez mencionadas del I-153 era su pobre desempeño al entrar en barrena.

Mientras que el I-16 se hizo conocido por entrar en barrena, los pilotos podían salir con facilidad de esta.

El Caza Tipo 97 (Nakajima Ki-27) de la Fuerza Aérea del Ejército Imperial Japonés demostró ser un formidable oponente para el I-15bis y el I-16, pero era igualado por el I-153, que conservaba la agilidad inherente a los biplanos y un desempeño mejorado.

Aunque los intentos por mejorar su desempeño en general demostraron ser infructuosos, Polikarpov tuvo cierto éxito en actualizar el armamento.

La serie del I-153 fue probada con dos ametralladoras sincronizadas TKB-150 de 12,7 mm (posteriormente denominada Berezin BS) y se construyeron unos 150 aviones con una sola TKB-150 montada en el fuselaje y dos ShKAS en las alas (se montó una sola TKB-150 debido a la escasez de esta arma, que además era empleada por el I-16 Tipo 29).

Hacia finales de su producción, a unos 400 aviones se les instaló planchas metálicas bajo las alas para poder transportar y lanzar cohetes RS-82.