Схема И-15 — расчалочный одностоечный полутораплан. Колеса неубираемого шасси закрыты обтекателями. Каркас фюзеляжа — ферменный, сварной из стальных труб. Каркас крыльев — деревянный, оперения — дюралевый. Обшивка везде полотняная. Вооружение — первоначально два, а затем четыре пулемета ШКАС. Изогнутое верхнее крыло типа "чайка" уменьшало общее аэродинамическое сопротивление самолета и улучшало обзор из кабины. Площадь верхнего крыла — 14,0 кв.м, нижнего — 7,9 кв.м. Вес пустого самолета — 960 кг, взлетный — 1369 кг. Самолет был принят к серийному производству и строился несколько лет первоначально с двигателем М-22 в 480 л. с., затем с М-25 в 630/715 л. с.

Истребитель И-15 в те годы не имел себе равных по маневренности на горизонталях. Вираж на нем выполнялся за 8 секунд. Летчики очень любили этот самолет за его устойчивость на всех режимах полета, простоту пилотирования и хорошие взлетно-посадочные качества. Скорость у земли — 315 км/час, на высоте 3 тыс. м — 367 км/час, потолок — 9800 м. На несколько облегченном И-15 летчик В.К.Коккинаки 21 ноября 1935 года установил мировой рекорд подъема на высоту без груза — 14 675 м.

Первую боевую проверку И-15 прошли в небе Испании. Активное участие принимали подразделения, вооруженные самолетами И-15, в разгроме японских захватчиков в районе реки Халхин-Гол. Небольшое количество И-15 использовалось в боях с белофиннами и в качестве штурмовиков в первые месяцы Великой Отечественной войны.