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.