Ни один из истребителей восьмой и девятой серий фактически не был собран, но ряд планеров в различной степени готовности были захвачены войсками Франко. Всего из трехсот намеченных к постройке в Испании И-15 было окончено только 231 штука, на следующих заводах: Reu (60), Sabadell (83). Molins (67) и (21) Villafranca.

Цель достигнуть уровня производства, по крайней мере, два истребителя И-15 в день так никогда и не была достигнута, к тому же интенсивность работы испанских сборочных линий в течение гражданской войны колебалась в значительных пределах. В январе 1938 года, был, достигнут уровень производства – четырнадцать И- 15 в месяц. В феврале, было построено только четыре, но в марте заводские цеха покинуло двенадцать И-15. Трудности, связанные с поставками двигателей М-25, возникшие в течение 1938 года, дополнялись нехваткой воздушных винтов, пулеметов и других материалов. В январе 1939 года, в связи с продвижением войск националистов, производство И-15 вообще было остановлено.

Имелись некоторые различия между И- 15 построенными в Испании и Советском Союзе. Однако при капитальных ремонтах самолетов советского производства на них устанавливались, некоторые узлы, типичные для испанских И-15. На основании боевого опыта на самолетах испанской постройки были введены броневая защита места пилота, защищавшая его от 12,7 мм пуль пулеметов Breda-Sarfat, которые стояли на итальянских истребителях CR-32.

На этих И-15 для экономии веса демонтировался электростартер, и двигатель запускался при помощи автомобильного аэродромного стартера. Это занимало существенно больше времени, чем самозапуск, и целый ряд И- 15 был потерян на земле, в результате внезапных воздушных атак, прежде чем они успевали подняться воздух и оказать сопротивление.

Некоторые И-15 также перевооружались более современными пулеметами LLIKAC, калибра 7,62 мм, поступающими из Советского Союза, ими заменяли «старичка» – пулемет ИВ-1. ШКАС имел тот же самый калибр, что и ИВ-1, но обладал более высоким темпом стрельбы – 1800 выстр./мин (против 780 выстр./мин у ИВ-1). Кроме того преимущества, что ШКАСы имел более высокую огневую мощь, из них можно было стрелять выборочно, то есть пилот мог выбирать режим стрельбы из одного, двух, трех или всех четырех пулеметов.

Некоторые И-15, которые первоначально имели двигатель М-22, оборудовались двигателями М-25 снятыми с поврежденных И-16. Такие самолеты передавались командирам эскадрилий или очень опытным пилотам, которые могли реализовать более высокие возможности улучшенного «Чато».

В ходе гражданской войны некоторые «Чато» использовались в качестве ночного истребителя. На них устанавливался кольцевой коллектор, в который отводились все выхлопные патрубки, отводивший пламя выхлопа под фюзеляж самолета. Благодаря такому отводу выхлопов, сохранялось ночное зрение пилота. Ряд модифицированных таким образом машин был собран в Ecuadrilla Caza Nocturna (эскадрилья ночных истребителей).

Обычно когда националистам удавалось захватить истребитель И-15 в летном состоянии. они продолжали его эксплуатацию в роли тренажера, вводя в его конструкцию некоторые изменения. На руле направления устанавливался триммер увеличенного размера, а также устанавливались небольшие триммеры на элероны верхнего крыла. С этих самолетов снималось их вооружение, и устанавливался измененный козырек кабины.

Двухсекционная дверца кокпита на левом борту фюзеляжа и сплошная дверца кокпита на правом борту заменялись сплошной кожаной шторкой, что повышало комфорт размещения пилота. Такая модификация была проведена после жалоб пилотов на то, что боковые двери, разработанные для холодного климата, сжимали пилота, давя на него в полете и затрудняли ему покидание самолета.

Большинство послевоенных И-15 модифицировались путем установки воздушного винта с И-16. Этот воздушный винт легко отличить по удлиненной втулке. Двигатель М-22, устанавливаемый на ранних «Чато», заменялся двигателем М-25. В Испании имелся большой запас этих двигателей, который еще увеличился, после того как Французское правительство после конца гражданской войны, возвратило Испании конфискованное им из-за наложения эмбарго оборудование.

На этом существенно модифицированном самолете И-15, летчик-испытатель В. К. Коккинаки установил 21 ноября 1935 года новый мировой рекорд высоты – 14575 метров. Устройство видимое на крыле является частью измерительной аппаратуры. Для облегчения самолета в рекордном полете с него были демонтированы многие детали, в том числе и капот двигателя.

Один из предсерийных истребителей И- 15 был оснащен кольцевым капотом типа NACA, который устанавливался на звездообразный двигатель Wright GR-1820 F-3 Cyclone, для того чтобы определить, улучшит ли этот тип кольцевого капота работу мотора. В серийное производство такая модификация не пошла.

Несмотря на те преимущества, которые демонстрировали И-15 по сравнению с другими современными им истребителями, крыло типа «чайка» не получило широкого одобрения среди строевых пилотов. Поэтому на Поликарпова оказывалось давление с тем, чтобы он возвратился к конфигурации биплана с традиционным прямым верхним крылом, хотя сам конструктор был настроен против этого.

В начале 1935 года, инженеры авиационного завода № 39 переделали стандартный И-15, установив на него традиционный прямой центроплан верхнего крыла. Такая конфигурация верхнего крыла впоследствии утвердилась и на наследнике «пятнадцатого» – И-152. Но в отличие от И-15, на модифицированной машине стойки верхнего крыла были более мощными, имея существенно больший диаметр. На правом верхнем крыле также устанавливалось зеркало заднего обзора.

Первый переделанный И-15 был готов к летным испытаниям в марте 1935 года. В ходе испытаний, на этом самолете не наносились какие-либо знаки национальной принадлежности или тактические номера. Результаты, полученные в ходе испытаний И-15 с «прямым» крылом впоследствии использовались при создании прототипа ЦКБ-Збис.

В 1935 году Поликарпов и его команда провели подготовку самолета И-15 к побитию мирового рекорда высоты, даже невзирая на тот факт, что Советский Союз не являлся членом FIA, и любые отчеты о рекорде не имели бы мирового признания. 21 ноября 1935 года, летчик – испытатель Владимир К. Коккинаки на существенно модифицированном И-15 достиг высоты 14575 метров, установив новый мировой рекорд. Самолет был максимально облегчен, с него демонтировали все оборудование, которое не было абсолютно необходимо, включая капот двигателя, а полотняная обшивка не окрашивалась, чтобы дополнительно снизить вес.

Другой экспериментальной версией И- 15 был И-15ГК (ГК – герметичная кабина) оборудованный герметичной кабиной, изготовленной из стали Д1 и имеющей резиновые уплотнения.

Герметичная кабина типа СК-4 добавляла к весу И-15 около 45 кг. Испытания самолета И-15ГК были проведены летчиком Степаном Супруном с аэродрома в Жуковском в 1937 году. Годом позже герметическая кабина была доработана изменялась для испытаний вооружения, хотя система подачи воздуха работала хорошо, но окна кабины запотевали, а ее аварийное покидание в случае необходимости было чрезвычайно затруднено.

И-15ГК