Ферма фюзеляжа изготавливалась из тонкостенных хромансилевых (сталь ЗОХГСА) труб и деталей из легких сплавов. Передняя часть фюзеляжа была прикрыта металлическими панелями, в то время как хвостовая часть фюзеляжа (за кабиной пилота) обшита авиационным полотном. Хвостовое оперение имело металлическую раму, и было обшито полотном, руль направления был оборудован триммером. У прототипа самолета в гаргроте, позади кабины пилота, располагался агрегатный отсек.
Наиболее радикальным отличием нового истребителя стало его шасси. Прототип получил основные стойки шасси, убирающееся в полете. При уборке стойки шасси поворачивались на 90 градусов и складывались назад в ниши центроплана (ниши шасси закрывались подвижными створками).
Шасси убиралось при помощи цепной передачи, приводящейся в движение рукояткой в кабине пилота. В то время как П-15 и И-152 были оборудованы хвостовым костылем с небольшой лыжей, новая машина имела, неубирающееся хвостовое колесо.
Конфигурация выхлопа на прототипе была аналогична И-15 – с пятью небольшими выхлопными патрубками, число отверстий жалюзи для поступления охлаждающего воздуха было уменьшено и изменена форма воздухозаборника выступающего над капотом.
Первый опытный ЦКБ-3тер был оборудован звездообразным двигателем М- 25В, и воздушным винтом В-25, имеющим большой конический кок, позаимствованный от И-152. На прототипе не устанавливались жалюзи, которые стали стадартным узлом на серийных машинах.
Два опытных и все предсерийные И- 153 были оборудованы новым, разработанным в СССР, воздушным винтом изменяемого шага АВ-1 с цельнометаллическими лопастями и коком значительно меньших размеров. Тогда как шаг воздушного винта В-25 мог устанавливаться только на земле, шаг винта АВ-1 мог изменяться в полете при помощи гидропривода управляемого из кабины пилота. Воздушный винт АВ-1 может быть идентифицирован по двум круглым противовесам, установленным на передней стороне втулки воздушного винта.
Вооружение прототипа отличалось от принятого ранее для И-15 и И-152 – пулеметы ПВ-1 были заменены пулеметами ШКАС, калибра 7,62 мм. Пулемет ШКАС имел темп стрельбы 1800 выстрелов в минуту и был разработан специально для применения на самолетах. Первоначальный вариант установки вооружения на трех прототипах вызвал ряд проблем во время испытаний, и решением этой проблемы занимался А.Микоян, в то время еще молодой конструктор.