С созданием Карельского фронта 65-й ШАП вошел в состав 103-й авиадивизии. Боевая деятельность полка считалась весьма эффективной. Согласно боевым донесениям, с начала войны и до марта 1942 г. «бисы» уничтожили 25 танков, 683 автомашины, 13 самолетов, до трех полков (!) пехоты противника. За проявленные героизм и отвагу в начале марта полк преобразовали в 17-й гвардейский штурмовой и перевооружили на штурмовики Ил-2. Оставшиеся И-15бис передали вновь сформированному 828-му ШАП под командованием м-ра Краснолуцкого. Вновь прибывшим в эту авиачасть летчикам пришлось переучиваться на новый для них самолет, т.к. ранее они летали на Р-5 и У-2. К тому моменту большинство в авиапарке полка уже составляли И-153. На рассвете 1 сентября 1942 г. 15 И-153 и 3 И-15бис нанесли удар по финскому аэродрому Гирвас, на котором базировались истребители Brewster F2A Buffalo. Ударную группу прикрывали истребители 195-го ИАП. Подонесениям летчиков, штурмовка прошла успешно, а в завязавшемся воздушном бою удалось сбить 3 «Буффало».
При формировании в ноябре 1942 г. 7-й воздушной армии 828-й ШАП вошел в состав 261-й штурмовой авиадивизии. В это же соединение вошел и 839-й ИАП, летавший на И-153 и И-15бис. В феврале 1943 г. полк преобразовали в 839-й штурмовой (командир П.И. Богданов). Эти полки эксплуатировали старую технику весь 1943 г., а в дальнейшем получили Ил-2.
В целом в ходе войны количество «бисов» неумолимо сокращалось. В мае 1942 г. в составе фронтовой авиации числилось только 72 И-15бис (из них 64 исправных). В июле были подведены итоги боевых действий ВВС КА за первый год войны. Выяснилось, что в 6484 учтенных боевых вылетах было потеряно 60 «бисов», т.е. одна потеря приходилась на 108 самолето-вылетов. Такие показатели оказались заметно выше, чем у новых истребителей и штурмовиков Ил-2. Небоевые потери, т.е. в результате аварий и катастроф, составили всего 11 самолетов.
Три трофейных «биса» из состава финского соединения LeLv 34. 1943 г.
Этот И-15бис летом 1941 г. разделил судьбу многих советских самолетов
И-15бис с двумя 25-кг бомбами из состава 71-го ИАП ВВС Балтфлота. Лето 1941 г.
И-15бис из состава 65-го ШАП вернулся из боевого вылета. Район Петрозаводска, конец лета 1941 г.
Несмотря на возрастающее поступление в войска новой техники, в 1943 г. старенькие бипланы, прошедшие не один ремонт, продолжали свою боевую деятельность. На 1 июня 1943 г. в составе ВВС действующей армии насчитывалось 32 И-15бис (главным образом в 7-й и 4-й воздушных армиях). Кроме того, в этот период до 40 экземпляров находилось в составе тыловых соединений ПВО и летных школах. В течение 1944 г. по причине износа из состава ВВС КА списали 343 «биса», еще 7 машин были потеряны в результате аварий и катастроф.
Применение И-15бис не ограничивалось фронтовой авиацией. Так, согласно данным МО СССР, в составе ВВС Черноморского флота к началу войны числилось почти 320
И-153 и И-15бис. Их распределение выглядело следующим образом:
8- й ИАП 62-й авиабригады (Севастополь) — 30 И-153 и И-15бис;
32-й ИАП 62-й авиабригады (Симферополь) — 70 И-153 и И-15бис;
9- й ИАП 62-й авиабригады (п. Черноморское) — 64 И-153 и И-15бис;
87-я ОИАЭ (Симферополь) — 45 И-153;
96-я ОИАЭ (Николаев) — 40 И-153;
93-я ОИАЭ (Новороссийск) — 70 И-153 и И-15бис.
Однако флотские данные о реальном наличии машин выглядят значительно скромнее: 73 «Чайки» и 82 И-15бис. При этом 65 «бисов» находились в строю, 9 — в авиаремонтных мастерских, 2 — на складе, 6 — в школе младших авиаспециалистов.
Первыми на Черноморье вступили в войну истребители 96-й ОИАЭ, приписанной к Дунайской военной флотилии, прикрывавшей Измаил. В середине дня 22 июня три И-153 и 14И-15бис этой эскадрильи под командованием к-на А.И. Коробицина взлетели на перехват девятки румынских PZL Р-37 (по другим сведениям, это были SM-79). Согласно донесениям летчиков, им удалось сбить 5 бомбардировщиков.
96-я эскадрилья действовала на подступах к Одессе до сентября 1941 г. В том же районе воевал на И-15бис и 9-й ИАП. 10 августа пара истребителей этого полка прикрывала отход транспортного судна «Курск» из Николаева. В районе Днепровско- Бугского лимана пароход атаковали три бомбардировщика Do 215. Один «Дорнье» удалось подбить, другой сбросил бомбы на большом удалении от цели. Третью вражескую машину пилот И-15бис л-т Черевко таранил, после чего выбросился с парашютом. В тот же день еще один таран на И -15бис совершил летчик 9-го полка В. Грек. На встречном курсе он врезался в Bf 109 и погиб.