Различные работы по доводке И-153 проводились, прежде всего, для серийных машин, выпускавшихся с моторами М-62 и М-63. Наиболее массовым типом при этом стал самолет с двигателем М-62. Всего авиазавод № 1 изготовил 3016 — 3020 таких И-153. Значительно меньше — 345 экземпляров — выпустили И-153 с М-63. Проводившиеся опытные работы касались в основном вариантов вооружения и повышения высотности самолета.

Первые опыты с турбокомпрессорами ТК-1 конструкции ЦИАМ начались еще на более ранних И-15бис. На боковой части капота с каждой стороны ставилось по одному ТК-1, который представлял собой центробежный компрессор, приводившийся в действие выхлопными газами от двигателя. При работе ТК увеличивался наддув двигателя на больших высотах — проще говоря — увеличивалась подача воздуха в карбюратор. При установке ТК подкупала возможность доработки самолетов в полевых условиях силами авиамехаников строевых частей. После первых успешных опытов с турбокомпрессорами построили войсковую серию в количестве 10 И-15бисТК.

Дальнейшее развитие работы получили на И-153. На истребителе пришлось переделывать капот двигателя и устанавливать жаростойкие боковины фюзеляжа. Первоначально переоборудовали четыре самолета войсковой серии: № 6001, 6003, 6006, 6011. Заводские и одновременно государственные испытания этих И-153, оснащенных двигателями М-25В и М-62, проходили с 19 июля по 29 августа 1939 г. В отдельных случаях пилоты забирались на высоту 12 км. И-153 ТК с М-25В развивал максимальную скорость 455 км/ч на высоте 8750 метров, а И-153 ТК с М-62 — 482 км/ч на высоте 10 300 м.

Позднее, по заводским данным, в 1940 г. построили 20 истребителей И-153 М-62 ТК и один И-153 М-63 Т.К. Самолеты предполагалось использовать в частях ПВО.

Одним из направлений повышения высотности полетов наряду с улучшением других характеристик самолетов стали герметические кабины. Первыми советскими истребителями, снабженными гермокабинами, были истребители И-15 и И-15бис конструкции Н. Поликарпова. Николай Поликарпов лично интересовался этой проблемой, поэтому в его коллективе разработали гермокабины в виде мягкой оболочки из прорезиненной ткани с металлическими усилениями. В конце июля 1939 г. конструкторскому бюро Поликарпова выдается задание оснастить один из серийных И-153 герметической кабиной и одновременно оборудовать его Т.К. Работу следовало закончить к концу года. Тем не менее, данное задание так и не было выполнено.

Небольшое КБ конструктора А. Щербакова, как оказалось, могло уже тогда предложить более совершенную конструкцию герметической кабины. Именно в эту группу и перешло задание на переоборудование «Чайки». Александр Щербаков получил производственные площади на подмосковном авиазаводе № 289, где к середине 1940 г. выполнили основную часть работ (турбокомпрессоры на этом этапе не ставились). В июле 1940 г. переоборудованная «Чайка» (№ 6034) поступила на испытания. Практически без изменения конструкции в самолет была вмонтирована гермокабина, позволяющая летчикам выполнять полеты на высотах более 4000 м без кислородного оборудования и специального снаряжения — толстого теплого комбинезона, стесняющего движения.

Кабину выполнили в виде сварного металлического «кокона» по форме и размерам фигуры сидящего летчика. Верхняя откидная часть представляла собой стальную полусферу с дюралевой оболочкой и прорезанными иллюминаторами. Необходимые жизненные условия в кабине поддерживались при помощи кислорода, поступавшего из 4-литрового баллона. Кислород поступал в кабину и смешивался с воздухом, который, в свою очередь, проходил через специальные регенерирующие патроны. Патроны выполняли роль поглотителей углекислого газа. Очищенная таким образом воздушная смесь поступала в переднюю часть кабины. Внутри поддерживалось постоянное, избыточное давление 0,2 атмосферы и температура около 10°С.

Испытания И-153 ГК велись с 20 по 30 июля 1940 г. Летчики, в числе которых был известный уже тогда Степан Супрун, отметили, что летные качества И-153 практически не изменились. Устойчивость машины, несмотря на смещение центровки назад более чем на 2%, осталась прежней. Обзор вперед за счет установки прицела ПАН-22 в специальном кожухе ухудшился, зато назад стал лучше, тем более, что вертеться в легком комбинезоне оказалось несравнимо легче, чем в толстом зимнем обмундировании.

Всего на «Чайке» с гермокабиной выполнили 11 полетов, 9 из них на предельную высоту — более 10 км. Проведенные учебные бои с И-16 и стандартными И-153 стали скорее данью традиционным видам испытаний, ибо выявить какие-либо особенности, кроме уже упомянутого выше незначительного ухудшения обзора, за столь короткий срок практически невозможно. Зато все пилоты отмечали малый шум в кабине и отсутствие усталости после высотного полета. Супрун, слетавший 30 июля на высоту 10 к.м, приятно удивился, что ему не требуется обычный отдых после высотного полета, и уже через 20 минут вылетел на немецком Хейнкеле Не 100, проходившем тогда испытания в НИИ ВВС.

Хотя по результатам испытаний рекомендовалось выпустить небольшое количество «Чаек» с гермокабиной для накопления опыта эксплуатации, серии не последовало и, по имеющимся у автора данным, И-153 № 6034 остался в единственном экземпляре.

Причиной появления этого проекта стало стремление отказаться от использования межкрыльевых лент-расчалок. Расчалки создавали дополнительное аэродинамическое сопротивление и, кроме того, требовали постоянного присмотра и регулировки. В новой модификации, обозначенной И-153Б, необходимую жесткость коробки крыльев обеспечивало нижнее крыло трапециевидной формы, с фанерной обшивкой и увеличенной корневой хордой. Сама идея представлялась оригинальной. Реализация легко осуществимой. А объем переделок базового самолета небольшим. Но преимущества также оказались невелики, поэтому строить новый самолет не стали.

Вынужденное стремление советской авиапромышленности к экономии металла стало причиной появления «Чайки», у которой фюзеляж частично выполнили из дерева. В самолете, получившем обозначение И-153УД (в некоторых документах И-153У.Д.), хвостовую часть фюзеляжа, начиная от 3-й рамы, выполнили в виде деревянного монокока. Такая конструкция была хорошо освоена промышленностью и применялась в истребителе И-16. Деревянные конструкции оказались тяжелее металлических на 8,4 кг, а по внешним обводам они были абсолютно идентичны.

Испытания И-153УД проходили с 30 сентября по 5 октября 1940 г. Летал П.Е. Логинов. В целом испытания прошли успешно, но воплощения в серии машина И-153УД не нашла в связи с прекращением серийной постройки базовой модели.