«Чато» стал совершенным сюрпризом для националистов, и сыграл существенную роль в битве за Мадрид. В Испании И-15 сбил первый вражеский самолет 4 ноября 1936 года, которым стал бомбардировщик Junkers Ju-52, рухнувший на земли вблизи Химене (Humane). 30 ноября, шесть И-15 из «баскской» эскадрильи уничтожили два истребителя Heinkel Не- 51 над Виториа (Vitoria). В течение первых воздушных сражений над Мадридом, «Чато» продемонстрировали свое полное превосходство над немецкими истребителями Heinkel Не- 51. Но потери несла не только одна сторона; в течение ноября (первый месяц действий в Испании) по крайней мере, четырнадцать И- 15 были потеряны в боях за Мадрид и Арагон; девять были сбиты, три потерпели аварии и два – захвачены. К концу года в Fuerza Aerea Republicana оставалось менее тридцати боеспособных И-15.
4 января 1937 года, два И-15 были потеряны в ходе обороны Бильбоа (Bilboa), а к концу месяца, несколько «Чато» были переброшены к Малаге, чтобы принять участие в сражении за этот город. 1 февраля, командир эскадрильи Антон Ковалевский, псевдоним «Caimiro», был убит в своем И- 15, а 16 февраля, американский доброволец – пилот Френк Г. Тинкер (Frank G. Tinker) из эскадрильи «Lacalle», был сбит в ходе боя над Иарама (Jarama), совершил аварийную посадку, получив при этом ранения. Позже он вернулся в свою эскадрилью. За время гражданской войны он довел свой счет сбитых самолетов до восьми и был одним из немногих иностранных пилотов, которые летали и на И-15, и на И-16. К концу февраля было потеряно пятнадцать И-15.
8 июля, истребителем И-15 из 1-й эскадрильи был сбит Meerchmitt Bf-109 . Пилоты новых немецких истребителей Meerchmitt Bf-109 были предупреждены о том, что к «Чато» необходимо относиться с уважением и избегать с ним ближнего боя на горизонталях. 13 июля был сбит американский доброволец, Гарольд Дал (Harold « Diaz Evan « Dahl) – ас сбивший пять вражеских самолетов. Он был захвачен в плен националистами и оставался в испанской тюрьме до 1940 года, после чего ему разрешили возвратиться в Соединенные Штаты. После конца Второй Мировой войны он стал пилотом швейцарской авиакомпании Swissair. 26 июля, стрелком с бомбардировщика Junkers Ju-52 был сбит И-15, и еще один истребитель был потерян 15 сентября.
В январе 1938 года было потеряно не менее четырнадцати И-15.21 февраля 1938 года, два И-15 были сбиты в районе Терюел (Teruel), два разбились в авариях и семь было уничтожено в результате налетов бомбардировщиков. К концу февраля оставалось только тридцать три боеспособных И-15.
В марте 1938 года, было потеряно двадцать И-15, но и они добились побед, когда 20 марта, И-15 сбил итальянский бомбардировщик Fiat BR.20. В апреле не сообщалось о потерях истребителей, а к концу мая было потеряно восемь И-15, тем не менее, благодаря местному производству И-15, Fuerza Аегеа Republicana имела в строю около пятидесяти «Чато». К августу их число увеличилось до 104. Благодаря своей прочной конструкции и четырем пулеметам И-15 хорошо подходили для штурмовых атак. В марте 1937 года, благодаря плохой погоде и ожесточенным штурмовым атакам удалось остановить итальянский добровольческий корпус (Согро Truppi Voluntari), которой продвигался к Мадриду с северо-востока.
В результате больших потерь, которые понесли советские самолеты в 1938 году (исчисляемые сотнями штук) превосходство в воздухе было потеряно. К лету, это уже больше не была эффективная сила, и Кремль отдал приказ советским летчикам о возвращении. К концу года, весь советский персонал должен был, вернуться домой. Возвращаясь на родину, советские пилоты оставляли в Испанской Республике свои самолеты. Но их сохранилось немного – из 1400 самолетов, доставленных в Испанию в период между октябрем 1936 года и концом 1938 года, около 1176 – или 83 % были уже уничтожены.
В январе 1939 года, имелось только восемнадцать И-15, которые базировались в Каталонии. В феврале десять поврежденных самолетов были сожжены республиканцами, чтобы предотвратить их захват вражескими войсками. 7 февраля националисты захватили двадцать два, поврежденных «Чато» в Тортелла (Tortella).