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.