在对气动外形进一步优化的同时，波利卡尔波夫也盯上正在研制的什维佐夫 Shvetsov M-62发动机，这款发动机也成为后来的I-16 18型的发动机。不过在诺门罕战役中翱翔在哈勒哈欣河上空的I-153的发动机使用的还是 M-25，因为 M-62 的研制进度滞后，终归自主创新和简单仿制之间的门槛不是那么轻易就能突破的。另外 I-153 由于过分追求轻量化，机体强度已经降低到不可以忍受的地步，甚至出现在俯冲中解体的情况，因此苏联空军对 I-153 的使用下达了严格的限制，几乎阉割了这款“新式”战斗机。

但苏联设计局仍预计将新科技搭配在这台I-15改良型上。在保留原先机身设计下换装安装增压器并增强出力的 Shvetsov M-62发动机、射速更高的7.62mm施卡斯机关枪、新的海鸥式主翼、手摇式伸缩起落架(值得注意的是,此项目为米高扬设计局创立者阿尔乔姆·米高扬所参予的第一项设计案) 。改良型称为I-153(I-15,3rd version)，设计于1937年完成，但是新引擎的开发无法跟上飞机制造进度，因此1938年8月试飞的一号原型机仍是用I-15所使用的M-25发动机;而更糟的是I-153原型机发现设计有许多瑕疵，测试时间大幅拉长，边测边改的状态下使用M-25的一号原型机测试结果最高时速424公里、最高升限8700米、5000米爬升6分钟24秒，这种与I-15bis相等性能的结果让所有人都非常失望，而波利卡波夫则寄望新引擎的换装能让飞机达到更好的性能，不过由于测试告一段落，但尚未测试新引擎的I-153在1938年就在苏联命令下进行量产，因此I-153在服役期间同时有两种引擎款式，此点除了对后勤造成困扰以外，也对后来产生了灾难性的影响。

从1938到1941年总共生产了3437架伊-153。