Вооружение самолета состояло из четырех пулеметов LLIKAC калибра 7,62 мм, с боезапасом по 650 патронов на ствол. На машинах поздних серий ручное перезаряжание пулеметов было заменено пневмосистемой. Все И-153 имели по два бомбодержателя под нижними крыльями, на которые можно было подвешивать груз до 100 кг. Бомбодержатели были рассчитаны на подвеску двух 50 кг бомб, четырех 25 кг, восьми 10 кг бомб. Типы бомб – АО-10, АО-20М, ФАБ-50М или химические бомбы ЧАВ-25 и АОЧ-15 (с горчичным газом или фосгеном).
Кроме химических бомб, на бомбодержатели И-153 также могли подвешиваться устройства для распыления химических веществ ВАП-6М (выливной авиационный прибор). ВАП-6М весил 10,2 кг и вмещал 38 литров горчичного газа или фосфора. Требовалось три-четыре секунды, чтобы распылить химические вещества из контейнеров над вражескими войсками. Такой же контейнер, как и для химических средств, использовался и в устройстве для сброса напалма – ЗАП-6 (зажигательный авиационный прибор), который также мог подвешиваться на И-153.
Под крыльями на месте бомбодержателей также могли быть установлены восемь направляющих для реактивных снарядов РС-82 (по четыре под каждым крылом). Вместо подвесного вооружения И-153 могли нести по два 80 литровых или 100 литровых топливных бака.
Применение самолета в боевых условиях на территории Монголии выявило ряд недостатков И-153. Вибрации приводили к отслоению обшивки на крыле, также стало проблемой отсутствие противопожарной перегородки. Разрушались выхлопные патрубки. Двигатели М-25В и М-62 были недостаточно надежны, а основные стойки шасси часто ломались или складывались в результате грубой посадки.
Чтобы преодолеть данные проблемы, И- 153 были модернизированы. С начала 1940 года, двигатель М-62 был заменен двигателем М-63, мощностью 1100 л.с. Несмотря на возросшую мощность, вес самого двигателя увеличился только на 7 кг. Во время Второй мировой войны, когда поврежденные И-153 находились на ремонтных базах, их оригинальные двигательные установки часто заменялись моторами М-63.
К моменту, когда германские войска вторглись в Советский Союз, И -153 были вторым по численности истребителем советских ВВС. Хотя к этому времени И-153 уже устарел, но сборочные линии по его выпуску продолжали работать, до тех пор, пока новые современные советские истребители типа МиГ-3 и ЛаГГ-3 подготавливались к массовому производству. Это было необходимо, чтобы сохранить штат квалифицированных рабочих и служащих на авиационных заводах.
Всего с весны 1939 года до конца 1940 года на авиазаводах №1 и №156, было построено 3437 истребителей И-153. В августе 1940 года авиазавод №1 перешел на выпуск нового истребителя МиГ-3.
И-153 символизировал закат карьеры истребителя-биплана в советских ВВС. Эра расцвета бипланной схемы с ее стойками и растяжками уже прошла, и хотя на чертежных досках, появился проект «Чайки», но все ухищрения типа убирающегося шасси, не могли надолго продлить жизнь биплану.
Поступая в эксплуатацию, И-153 уже был анахронизмом – к этому времени истребители-бипланы уже уступили пальму первенства истребителям-монопланам.
Ранние серийные варианты И-153 окрашивались оливково-зеленой краской на верхних поверхностях, а на нижних – светло-голубой. Красные звезды национальных опознавательных знаков имели тонкую черную окантовку и небольшой черный круг, вписанный в звезду. Внутренние узлы самолета обычно окрашивались светло-голубым цветом. Некоторые И-153 эксплуатировавшиеся в предвоенный период в истребительных полках не имели красных звезд на верхнем крыле, однако на нижнем крыле звезды наносились всегда. Тактические номера не имели обводки и рисовались или белым или серебряным цветом.
«Зимняя война» с Финляндией, в 1939- 40 годах, показала, что сплошная окраска самолета в серебряный цвет превосходно маскирует его на фоне снега. В результате этого опыта, имелся ряд самолетов полностью окрашенных «серебрянкой». Некоторые из И-153 имели серебряный фюзеляж и крылья, но верхняя поверхность их верхнего крыла окрашивалась оливково-зеленой краской.