В Испании
В конце 1938 г. Испанская республика надеялась на значительные поступления военной техники и снаряжения из Советского Союза. В связи с блокадой морских коммуникаций поставки предполагалось осуществлять через Францию.
Для пополнения своих потрепанных авиасоединений республиканцы запросили 250 самолетов, из них около сотни И—15бис. В соответствии с принятой системой обозначений, эти аппараты, улучшенные по сравнению с обычным И—15, в Испании получили наименование «СС» (Супер Чатос).
В декабре 1938 г. первые 30 И—15бис морским путем доставили во Францию. В январе 1939 г. самолеты перелетели на территорию Испании, где из них сформировали отдельную эскадрилью под управлением капитана Эмилио Галера (Emilio Galera Macias). До падения Каталонии эскадрилья прошла ускоренное обучение и тренировку на новом истребителе. Один самолет при этом разбился. Оставшиеся 29 в течение января 1939 г. использовали для атак наземных целей, однако они ни разу не участвовали в воздушных боях. Эксплуатация И—15бис у фронтовых летчиков особого оптимизма не вызывала, они не считали новый самолет более эффективным по сравнению с обычным И—15. Вместе с тем отмечалось более качественное производственное исполнение самолета, добротное приборное оборудование, отличная устойчивость на всех полетных режимах и более высокая скорость пикирования.
В ходе наступления франкистов и соответствующего уменьшения республиканской части Каталонии эскадрилья перелетела на самую восточную оконечность Испании. Здесь, на аэродроме Vilajuiga, поблизости от французской границы, 4 февраля 1939 г. Эмилио Галера получил приказ эвакуировать эскадрилью во Францию. В последующие дни в условиях плохой погоды самолеты перелетели на французские аэродромы Carcassonne и Toulous-Francazal, где были интернированы.
После окончания гражданской войны 20 И—15бис вернули в Испанию, где их включили в состав военной авиации. Поначалу самолеты имели обозначение 2W, позднее — С.9. До середины 1940—х годов они находились на вооружении в Группах 24 и 25.
В отношении бытующего мнения о поставках в Испанию кроме И— 15бис также и истребителя И—153 следует отметить, что это представляется абсолютно невозможным. Первый опытный И—153 №5001 с двигателям М—25В испытывался в августе—сентябре 1938 г. Наличие в этой машине недостатков, присущих опытным образцам, задержало ее доводку до зимы. В начале 1939 г. испытания второго опытного И—153 № 6005 продолжили в Баку — там же чуть позднее начались испытания «Чаек» войсковой серии. Испанская республика к тому времени уже перестала существовать.
И-15бис на полевом аэродроме в Китае. Самолет имеет бело-синий полосатый руль поворота и трехзначный номер на киле 
