Первый из трех прототипов покинул сборочный цех в октябре 1938 года. После завершения заводских испытаний он был передан в НИИ ВВС. В ходе проходивших испытаний, один из прототипов потерпел аварию, и расследование ее причин показало, что она была связана с перегреванием двигателя, приведшего к его поломке. Эта проблема также была решена Микояном, который в тот период работал в КБ Поликарпова.
Тогда как все серийные И-152 оснащались прицелом ОП-1, ЦКБ-3тер, и все серийные И-153 получили более совершенный прицел ПАК-1 (прицел авиационный коллиматорный), который был, фактически, копией французского прицела «Clair». После успешных испытаний, ЦКБ-3тер был рекомендован для серийного производства под обозначением И-153.
Поликарпов И-153
Весной 1939 года, первые серийные экземпляры нового истребителя, получившего обозначение И-153, начали покидать сборочные цеха авиазаводов № 1 и №156.
В ходе испытания машин первой серии в НИИ ВВС они продемонстрировали следующие летные характеристики: скорость 368 км/час на уровне моря и 424 км/час на высоте 3500 м. Это было приблизительно на 41- 45 км/час больше чем у более ранних И-152 и на 20- 30 км/час ниже, чем у истребителя-моноплана И-16. Новый И-153 совершал полный разворот за 11-12 секунд, достигал высоты 5000 м за 6,5 минут, и имел потолок 8700 м.
Опытные ЦКБ-3тер отличались от ранних серийных И-153 рядом деталей. С левой стороны в нижней части капота (над нишей колеса основной стойки шасси) был добавлен еще один выхлопной патрубок. Три опытных самолета и некоторые предсерийные И-153 имели по одному бомбодержателю под каждым нижним крылом, тогда как серийные И-153 имели по два бомбодержателя под каждым крылом. Если опытные ЦКБ-3тер имели один выхлопной патрубок в нижней части капота, то серийные И- 153 имели здесь же два патрубка. Ранние серийные машины имели небольшой кок воздушного винта, в то время как на большинстве серийных вариантов кок отсутствовал.
На наиболее ранних серийных вариантах самолета была предусмотрена возможность установки радиостанции РСИ-3 с антенной мачтой расположенной на внутренней панели правого верхнего крыла, и небольшим узлом крепления, установленным на кончике стабилизатора. Часто, только командирские И-153 оборудовались, и передатчиком и приемником, тогда как остальные самолеты имели только приемники или вообще не имели никакого радиооборудования.
Первые партии самолетов оснащались двигателями М-25В, мощностью 775 л.с., позднее на И-153 стал устанавливаться более мощный (1 000 л.с.) двигательМ-62. Двигатель М-62 являлся советской копией американского авиационного двигателя Wright- Cyclone R-1820 G-5. Если мотор М-25В имел односкоростной нагнетатель, то М-62 оснащался уже двухскоростным нагнетателем, и благодаря этому имел лучшие высотные характеристики. Использование двигательной установки на базе М-62 привело к увеличению массы самолета примерно на 50 кг. Сухой вес мотора М-25В равнялся 459 кг, тогда как мотор М-62 весил 506 кг. Большинство И-153 имели переднюю панель капота с жалюзи охлаждения, но иногда в боевой обстановке жалюзи демонтировались, чтобы улучшиться охлаждение двигателя.
Другой распространенной полевой модификацией был демонтаж створок, прикрывающих ниши шасси, так как они часто повреждались в результате грубой посадки. В зимний период часть И-153 оборудовались посадочными лыжами. При установке лыж створки ниш шасси демонтировались, а сами ниши шасси закрывались металлическими панелями.