По состоянию на 5 декабря 1941 года в ВВС армий числилось около 300 И-153 и И-15бис. Еще через год их осталось всего 60. В течение 1943 года применение этого типа бипланов (которые, как мы видим, подсчитывались совместно – И-15бис и И-153) отмечалось лишь эпизодически.
Несколько по-другому сложилась жизнь И-15бис на флоте (Северный, Балтийский и Черноморский), авиация которого имела к началу войны на своем вооружении 145 машин этого типа. Здесь, в условиях стабильной линии фронта, где боевые действия велись более обдуманно и спокойно, "бис" просуществовал вплоть до 1945 года. Этот маленький лобастый биплан, в любом пространственном положении находящийся в воздухе как "нож в масле", к июню 1941 года был неплохо освоен строевыми летчиками. Столь положительное качество, как маневренность, при скромном вооружении с успехом было использовано с первых же дней войны.
На южном участке границы Советского Союза на стороне Германии выступила Румыния. 22 июня 1941 года в 14 часов с аэродрома Измаил на перехват девятки румынских PZL.37 "Лось" взлетели три И-153 и четырнадцать И-15бис 96-ой отдельной истребительной эскадрильи ВВС Черноморского Флота. В воздушном бою над Дунаем эта группа под руководством капитана Коробицина, сбила пять "Лосей". Два из них уничтожили ПИЛОТЙ1 "бисов".
В первых числах июля немецко-румынские войска форсировали реку Прут и стали продвигаться на юго-восток. В один из этих дней четыре И-15бис второй экадрильи 9-го авиаполка 62-й авиабригады встретились в воздушном бою с двенадцатью Bf 109. Умело применяя маневренные возможности своей машины, летчики сбили четыре "Мессершмитта". Был подбит и один "бис". Младший лейтенант Павел Закорко, приземлившийся на захваченной врагом территории, спустя несколько часов был вывезен на У-2 одним из участников боя, своим боевым другом лейтенантом Виктором Куликовым.
10 августа 1941 года пара И-15бис9-го полка была назначена для прикрытия судна "Курск", вышедшего из Николаева. Как только транспорт, на борту которого эвакуировались женщины и дети, вышел на простор Днепровско-Бугского лимана, появились три бомбардировщика Do 215. Они шли на транспорт. Ведущий пары лейтенант Борис Черевко атаковал крайний "Дорнье" и подбил его. Будучи раненым, он атаковал вторую вражескую машину и заставил ее пилотов освободиться от бомб. Когда Черевко направил свой истребитель к третьему Do 215, тот находился уже на боевом курсе. Отсутствие патронов и молчание пулеметов "биса" заставили летчика пойти на таран. "Дорнье" упал в лиман, а Черевко покинул свой самолет на парашюте.
К осени 1941 года обстановка на южном участке фронта продолжала ухудшаться. 7 октября части 9-ой армии, отступая под напором вражеских мотомеханизированных частей, прошли Мариуполь – крупный промышленный центр и база Азовской военной флотилии. Весь день 7 октября немцы большими группами самолетов ожесточенно бомбили город. При отражении налетов командир 87-ой отдельной авиаэскадрильи на И-15бис сбил четыре вражеские машины. В первом вылете два Ju 88, во втором – два Bf 110.
27 октября два И-15бис 87-ой эскадрильи во время воздушной разведки, атаковали немецкие самолеты на аэродроме Мариуполь. В завязавшемся воздушном бою со взлетевшими истребителями был сбит один Bf 109. Оторвавшись от противника, в районе Бердянской косы эта пара завалила Не 111. Один "бис" с "прогулки" не вернулся…
К середине лета 1942 года И-15бис оставались в составе 62 авиаполка (15 машин) и 87 отдельной эскадрильи (10 машин) В ВС Черноморского флота. Их боевая деятельность в этот период велась преимущественно ночью. Это были беспокоящие бомбежки вражеских баз и аэродромов, поиск и уничтожение зенитных установок и прожекторов. Ночью 24 октября 1942 года два И-15бис во время совместной операции по уничтожению самолетов на аэродроме Майкоп, расстреляли 3 прожекторных установки из 8 действующих. Кроме этого "бисы" выполняли прикрытие транспортов на переходах, поиск немецких торпедных катеров, совместно с МБР-2 разыскивали экипажи сбитых над морем самолетов, осуществляли снабжение крымских партизан.
В течение всего 1943 года в боевых действиях на юге России действовало до двадцати И-15бис, сведенных в конце концов в 62-й авиаполк. Боевые потери этих машин были минимальны, чаще случались аварии и поломки во время ночных посадок. Но даже в этот период в бою "бесенята" – такое очередное прозвище они получили – просто так не давались. 23 мая 1943 года четыре И-15бис вели в море поиски экипажа сбитого МБР-2. Во время операции одна пара вела воздушный бой с двумя Bf 109. Сбитый в этой схватке И-15бис был едва ли не единственным за весь 1943 год. За день до этого события, пара "бисов", прикрывая наши транспорты в районе Джугби, вела бой с немецкими самолетами и подбила три из них.