Использование И-153 в авиаполках ПВО вело к неуклонному сокращению числа этих самолетов на фронте. Во второй половине ноября 1942 г. в 8-м иак ПВО Баку оставалось лишь 20 исправных «Чаек». Да и в остальных частях противовоздушной обороны их оставалось немногим более 80. Последним годом использования этих истребителей в ПВО стал 1943 г. В следующем 1944 г. старые самолеты полностью заменили современными машинами.
Для описания боевой деятельности И-153 на фронте вернемся к событиям в 1941 г. Во второй половине августа под Ленинградом произошел случай, попавший во многие западные газеты. Положение города в тот период становилось катастрофическим. Немецкие войска, развивая наступление, обходили Ленинград с юга и, сминая фланги Лужской оборонительной полосы, стремились выйти к Ладожскому озеру, завершив тем самым окружение бывшей российской столицы.
19 августа воздушная разведка донесла о продвижении крупной немецкой моторизованной колонны по дороге из Волосово к Красному Селу. Находившийся на фронте маршал Ворошилов лично приказал командующему ВВС Александру Новикову выслать самолеты для уничтожения колонны.
Для нанесения удара вылетела восьмерка И-153 7-го иап под командованием старшего лейтенанта Свитенко. Атака на врага оказалась успешной, но во время второго захода машину Свитенко подбили огнем с земли, и он совершил вынужденную посадку на изрытую воронками площадку у деревни Клопицы. Ведомый командира летчик Алибзк Слонов приземлился рядом. Свитенко быстро вскочил на крыло самолета Слонова и уцепился за расчалки и стойку крыла. Машина пошла на взлет. Удача была на этот раз на стороне отважных пилотов, спустя десять минут они смогли обнять друг друга, приземлившись на аэродроме морской авиации недалеко от Стрельны.
Нужно отметить, что под Ленинградом применение истребителей И-153 оказалось довольно продолжительным и результативным. Здесь в условиях устойчивой линии обороны «Чайки» несли различную боевую службу: сопровождение транспорта и охрана трассы снабжения Ленинграда, ночная охота за прожекторами, участие в контрбатарейной борьбе.
К ленинградским эпизодам относится ночной таран, совершенный летчиком 26-го иап Алексеем Севастьяновым. 26-й авиаполк, начавший войну еще под Брестом, осенью 1941 г. воевал в составе 7-го истребительного авиакорпуса ПВО Ленинграда и был выделен специально для ночных полетов. На вооружении этого полка имелись истребители И-153, И-16, Як-1 и ЛаГГ-3.
В ночь на 5 ноября Севастьянов на И-153 вылетел для ночного патрулирования над Ленинградом. Город в то время уже более месяца находился в блокаде, фронт располагался так близко, что немецкие самолеты за считанные минуты долетали до центральных кварталов. Обнаруженный Севастьяновым бомбардировщик Не 111 шел над Невой в сторону Смольного. Атаки пилота «Чайки» оказались безуспешными, боекомплект быстро закончился, ночная охота явно не складывалась. Не давая вражескому самолету уйти, Севастьянов таранил «хейнкель» и сам выбросился с парашютом. Обломки машин упали в Таврический сад.
Летом 1942 г. немецкая авиация предприняла ряд массированных налетов на Кронштадтскую военно-морскую базу. Прикрывал Кронштадт 71-й иап, имевший в то время около 20 истребителей И-153 и И-16. В период с 28 мая по 14 июля немецкая авиация потеряла в этом районе 24 самолета — 71-й иап потерь не имел. Комиссар полка И.И. Сербин за этот период сбил на И-153 три Не 111 лично и один в паре. В ночь на 3 июня 1942 г. Сербин находился в зоне ожидания на высоте 1000 м. Обнаружив вражеский «хейнкель», советский пилот атаковал его «эрэсами», после чего тот упал в районе горы Пухтола и взорвался. Возвращаясь в свою зону в районе острова Котлин, Сербии обнаружил еще один Не 111, освещенный прожекторами, и атаковал его с короткой дистанции. Вражеский бомбардировщик упал в воду на глазах у всего гарнизона Кронштадта.
В середине 1943 г. истребители И-153 под Ленинградом имелись в основном в составе авиации Балтийского флота. По нескольку «Чаек» имелось в 3-м, 4-м и 10-м Гвардейских истребительных авиаполках и 7-ом авиазвене ПВО, До десяти машин вплоть до июля базировались на острове Лавенсаари — в основном это были истребители. 10-го иап. Активизация вражеской авиации летом 1943 г., сложность перехвата немецких бомбардировщиков Ju 88 и Не 111, явное неравенство в схватках с появившимися Fw 190 привели к тому, что на Лавенсаари перебросили истребители Як-1 из 3-го гиап, а заслуженным ветеранам И-153 оставили второстепенные задачи.
Уже в ходе войны И-153 получили неожиданную специализацию. Созданные в конце 1941 г. ночные бомбардировочные полки на самолетах У-2, Р-5 и P-Z в течение первой военной зимы действовали вполне успешно. До наступления весны долгие темные ночи оставались верным союзником этих «небесных тихоходов». Но весной и особенно летом ночные бомбардировщики стали нести ощутимые потери от немецких воздушных охотников. Было принято решение для защиты «ночников» выделить истребители. «Чайки», обладавшие коротким взлетом и посадкой, как нельзя лучше подходили для этой цели.
Одним из первых в ноябре 1941 г. на базе 25-й авиационной школы в городе Невиномыске Ставропольского края сформировали 654-й ночной легкобомбардировочный авиаполк (нлбап) на самолетах У-2. Весной 1942 г. эта часть получила в дополнение к двум десяткам «кукурузников» эскадрилью из 8 И-153 и стала именоваться 889-й смешанный авиаполк. Летом 1942 г. полк успешно действовал на южном направлении во время боев за Донбасс. 25 августа полк отвели на переформирование в город Насосный севернее Баку. «Чайки» передали в 8-й иак бакинской зоны ПВО, а 889-й полк в течение зимы — весны действовал исключительно на У-2. Летом 1943 г. во время активизации боев в районе Керчи и Новороссийска «Чайки» вернули обратно. Теперь их основной задачей стало подавление зенитных средств и уничтожение прожекторов. Подобным образом применялись И-153 авиации Черноморского флота. Активное использование истребителей-бипланов по ночам на этом участке фронта отмечалось в течение всего 1943 г.
В начале 1942 г. советская фронтовая авиация имела немногим более двухсот самолетов И-153. К концу летнего сезона количество этих истребителей сократилось более чем вдвое. По состоянию на 1 июля на фронте имелось 83 «Чайки», из них 42 машины в 5-й воздушной армии.
Установление точного количества воевавших И-153 представляется затруднительным, ибо потери частично восполнялись ремонтом и поступлением из тыловых частей, многие подразделения «мигрировали».
Так, в начале августа 1942 г. 662-й авиаполк ночных бомбардировщиков У-2, действовавший в полосе 52-й армии в районе Мясного Бора получил в качестве пополнения эскадрилью истребителей И-153 и И-16. Полк получил наименование смешанного и действовал в таком составе до весны 1943 г. В апреле 662-й сап расформировали, истребители передали полку из состава 14-й воздушной армии.
В середине 1943 г. на фронте насчитывалось 36 истребителей И-153. Именно в этот период в частях появилась изданная Наркоматом Обороны брошюра «Тактика истребительной авиации». Для И-153 эта «Тактика» во многом уже не подходила, но, принимая во внимание, что разработали ее на основе опыта 1941 — 1942 гг. и во многие полки фрагментарно доводили в виде многочисленных циркуляров, некоторые ее положения оказались весьма интересны. Тем более, что пилота И-153 призывали не к обороне, а к активной (!!!) воздушной схватке: «Отличная маневренность «Чайки» делает ее неуязвимой для неповоротливого Bf 109, если только летчик «Чайки» хорошо осматривается кругом. И-153 всегда может вывернуться из-под атаки и встретить противника огнем в лоб, При этом часто получается так, что И-153 может вести огонь по Bf 109, а тот довернуть до «Чайки» не успевает». Инструкцией предписывалось применение истребителей типа И-153 на самом нижнем ярусе возможных боевых столкновений — на высотах 500 — 1000 м, в боевом порядке, получившем название «пчелиный рой». Впрочем, соблюдение подобных условий возможно было лишь при наличии нескольких пар истребителей И-153, в жизни подобное встречалось уже крайне редко.