Еще на стадии проектирования И-153 военные требовали установки на самолет крупнокалиберных пулеметов. Первый И-153 № 6021 с двумя 12,7-мм пулеметами ТКБ-150 (вместо двух верхних ШКАСов) проходил полигонные испытания в августе 1939 г. Каждый пулемет имел боезапас по 165 патронов. Для перезарядки на самолете установили дополнительный баллон со сжатым воздухом.

Чуть позже появился вариант с одним синхронным крупнокалиберным пулеметом ТКБ-150 (позже эти пулеметы в синхронном варианте получили обозначение БС — Березина синхронный) и двумя ШКАСами. Оружие испытали на И-153 № 6506 в феврале — марте 1940 г., и в таком виде самолет рекомендовали к запуску в серийное производство. Установка одного крупнокалиберного пулемета вместо двух (аналбгичная история с И-16 тип 29) объясняется тем, что в 1940 г. крупносерийное производство пулеметов ТКБ-150 еще не началось и на все самолеты их попросту не хватало. Осенью 1940 г. на полигоне под Кубинкой три И-153 (№ 8527, 8528 и 8545), вооруженные пулеметами Березина прошли войсковые испытания. До конца года авиазавод № 1 выпустил полторы сотни «Чаек» с таким вооружением.

Не менее заманчивой представлялась установка на «Чайке» 20-мм скорострельных авиационных пушек ШВАК. Снаряд этой пушки превосходил по массе пулю крупнокалиберного пулемета в два раза (96 и 48 г соответственно), разрушающая способность была выше в несколько раз. Но если на И-16 пушки установили вне диска вращения воздушного винта, на И-153 их решили установить в синхронном варианте, со стрельбой через винт. При этом имелись сомнения в успехе. Представлялось, что в отдельных случаях (затяжной выстрел) снаряд может попасть в лопасть и перебить ее.

Для уменьшения такой вероятности конструкторские бюро Н. Поликарпова и Б. Шпитального провели большую исследовательскую работу. Принятую во всем мире регулировку момента выстрела «после лопасти», заменили регулировкой «до лопасти», а стрельбу на малых оборотах исключили. Для уменьшения «углов относа» использовали привод синхронизации внутри пушки, то есть импульс синхронизации стал передаваться не на затыльник, а к началу ствольной коробки. Все эти и другие нововведения позволили говорить о безопасности стрельбы из синхронных пушек. Чтобы развеять последние сомнения намеренно добились пробития лопасти сначала на земле, а затем и в воздухе (летал Б. Уляхин). Пробитая при этом как гвоздем лопасть воздушного винта осталась работоспособной, мотор тянул и позволял благополучно добраться домой.

В начале 1940 г. построили войсковую серию из трех пушечных самолетов, обозначенных И-153П(№ 6578,6598, 6760). Летом 1940 г. И-153П проходили испытания в 16-м иап 24-й авиадивизии Московского военного округа. По отзывам пилотов, пушечные «Чайки» стали немного инертнее, основным неудобством было то, что прозрачный козырек сильно загрязнялся пороховой гарью. В целом испытания прошли успешно. Решили построить еще несколько таких пушечных аппарата. Но (по заводским данным) построили всего пять экземпляров И-153П. Известно, что три пушечных И-153 летом 1940 г. поступили на вооружение 60-й авиабригады ЗакВО.

Почти одновременно с пушечными «Чайками» велись испытания штурмовых подвесок. И-153 «Ш» и И-153 «УШ» имели под нижним крылом обтекаемые каплевидные контейнеры с пулеметами ШКАС (всего четыре) или бомбовые кассеты по двадцать 2.5-кг бомб в каждой.

Во второй половине 1940 г. велись испытания И-153 с реактивными снарядами РС-82. До конца года более четырехсот самолетов оборудовали узлами для установки PC. Переделка сводилась в основном к дополнительной металлической обшивке на нижней поверхности нижнего крыла.

Зимой 1938/39 г. активизировались работы по увеличению дальности истребителей путем оснащения их подвесными топливными баками. Поначалу опыты с подвесными баками велись на самолетах И-15бис. В марте 1939 г. испытали подфюзеляжные цилиндрические баки емкостью 150 л, в апреле — подкрыльевые каплевидные общей емкостью 200 л (под каждым крылом подвешивалось по два 50-литровых бака). Предпочтение отдали второму варианту по следующим причинам: каплевидные баки обеспечивали больший запас топлива и подвешивались на стандартных бомбодержателях. При проведении небольших доработок, связанных с установкой дополнительного маслобака емкостью 25 л, дальность полета истребителя увеличивалась почти в 2 раза.

Для практического использования рекомендовали каплевидные дюралюминиевые баки емкостью 100 л, а в дальнейшем перейти на подвесные баки из фибры. Такие баки производились под обозначением ПЛБГ-100 и устанавливались на И-153 и И-16. До конца 1939 г. для установки подвесных баков оборудовали 50 И-153 (столько же И-15бис), некоторое количество таких самолетов произвели и в 1940 г. Впоследствии самолеты с подвесными баками поступали в основном в полки истреби тельной авиации ВМФ.

Как ни странно, но первые авиационные реактивные двигатели в СССР начали испытывать в полете именно на самолетах устаревшей бипланной схемы. Среди разнообразных силовых установок, использующих реактивный принцип, большой интерес в начале 30-х годов вызывали прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД). Ряд советских ученых, активно сотрудничавших в те годы с Реактивной секцией Стратосферного комитета ЦС Осовиахима СССР приложили свои усилия к теоретическому обоснованию таких работ. Первые в СССР ПВРД построил инженер И. Меркулов. Летом 1939 г. Меркулов предложил использовать ПВРД в качестве дополнительной силовой установки для увеличения максимальной скорости истребителей с поршневыми авиадвигателями. В качестве горючего предполагалось использовать авиационный бензин из основного бака. Поэтому «прямоточки» назывались «дополнительными моторами» (ДМ). Первый такой двигатель диаметром 240 мм, получивший обозначение ДМ-1, прошел стендовые испытания во второй половине 1939 г. В сентябре построили более мощные двигатели ДМ-2, длина их составляла 1500 мм, максимальный диаметр 400 мм, диаметр выходного сопла 300 мм. Вес каждого двигателя вместе с элементами крепления составлял всего 19 кг. После успешных испытаний в аэродинамической трубе ДМ-2 установили под нижними плоскостями И-15бис. Хвостовую часть самолета во избежание загорания обшили металлическими листами.

Испытания самолета начались 25 января 1940 г. в районе Центрального московского аэродрома, прямо над городскими кварталами. Когда летчик Петр Логинов запустил в воздухе реактивные двигатели, наземные наблюдатели увидели яркие многометровые огненные струи. Необычное явление наблюдали с земли и в близлежащих московских кварталах. В городе начался переполох, спустя короткое время к воротам аэродрома примчались спасать летчиков сразу пять пожарных команд. Летные испытания ПВРД на самолете И-15бис продолжались до июля 1940 г. Они велись на скоростях 320 — 340 км/ч. При включении ДМ скорость полета увеличивалась на 18 — 22 км/ч.