После удручающих результатов первых воздушных боев вышел приказ наркома обороны, запрещавший дальнейшие действия советской авиации по причине ее неподготовленности. 26 мая 1939 г. 70-й ИАП перебазировали в Баин-Тумэн для укомплектования новой материальной частью и летным составом. 29 мая к месту боевых действий на трех «Дугласах» вылетели 40 опытных летчиков-истребителей под командованием Я.В. Смушкевича. В дальнейшем летчики этой группы руководили подготовкой и ведением боевых действий прежде всего истребительной авиации. Боевых вылетов не велось вплоть до 17 июня 1939 г. К концу месяца 70-й ИАП насчитывал 60 И-16 и 24 И-15бис, 22-й ИАП — 35 И-16 и 32 И-15бис. Советская авиация в Монголии к тому моменту именовалась ВВС 1-й армейской группы.
22 июня в районе р. Халхин-Гол состоялось крупнейшее воздушное сражение продолжительностью 2,5 ч. Большая длительность и последовательное введение новых групп истребителей позволили оценивать это событие как три отдельных воздушных боя. С советской стороны участвовало от 95 до 106 самолетов (56 И-16 и 49 И-15бис), с японской — до 120 самолетов. По сообщениям советских летчиков, удалось сбить 31 истребитель противника, своих потеряли 11. По другим данным, лишились 14 машин, из них 13 И-15бис. Количество побед, засчитанных на долю пилотов «бисов», не определено.
В последующие дни воздушные сражения продолжались - соответственно, множились потери. 24 июня и 25 июня потеряно по два И-15бис, 26-27-го — 8 машин, 21 июля — 6 «бисов», 27, 28 и 29 по одному самолету (приведены только известные цифры на отдельные даты). Нужно отметить, что воздушный бой летом 1939 г. определялся как беспорядочная «собачья свалка», где каждому участнику приходилось в большинстве случаев действовать индивидуально и рассчитывать только на себя. В такой обстановке пилоты японских истребителей И-97 преднамеренно охотились за «бисами», которые являлись более легкой добычей, чем И-16 и только появившиеся И-153.
Уже в начале августа И-15бис практически не использовались в дневных воздушных боях. 6 машин короткое время применялись для ночного патрулирования. По состоянию на 20 августа в ВВС 1-й армейской группы насчитывалось 311 истребителей, из них 21 И-15бис: в 70-м ИАП — 2, в 22-м ИАП — 1, в 56-м ИАП — 18.
Всего за время боев на Халхин-Голе использовалось около 100 И-15бис. Боевые потери составили 56 машин, кроме этого, 2 «биса» потеряли в катастрофах и еще 5 были разбиты в авариях. К концу боев в строю оставались 15 таких самолетов, которые использовались в основном для тренировочных полетов.
Пара И-15бис взлетает с полевого аэродрома. Маленькая звездочка на вершине киля, вероятно, является отличительным знаком эскадрильи. 1939 г.
Обломки И-15бис из состава ВВС 57-го особого корпуса. Халхин-Гол, начало лета 1939 г. Предоставил А. Котлобовский
К началу боевых действий 30 ноября 1939 г. в ВВС четырех наземных армий, сосредоточенных у границы Финляндии, насчитывалось 805 самолетов-истребителей, из них доля И-15 и И-15бис составляла около 30%.
Распределение по типам и общая численность выглядели следующим образом:
| ТИП | 14 армия | 9 армия | 8 армия | 7 армия | всего |
| И-16 | 18 | -- | 33 | 359 | 410 |
| И-15 | 15 | 15 | 42 | 204 | 276 |
| И-153 | 17 | -- | -- | 102 | 119 |
| всего | 50 | 15 | 75 | 665 | 805 |
Первый период боевых действий отличался сложными метеоусловиями, плохой видимостью, обилием снега. При сосредоточении значительных сил авиации не хватало аэродромов. В данных обстоятельствах самолеты И-15бис, обладавшие хорошими взлетно-посадочными характеристиками и установленные на неубираемое лыжное шасси, оказались наиболее приспособленными для ведения боевых действий. Они могли использоваться с ограниченных площадок и ледовых аэродромов. Основными задачами являлись ближняя разведка и атаки наземных целей в районе линии фронта. Сообщения о сбитых вражеских машинах редки. Например: «24 декабря капитан Сокол Константин Парфенович, командир 1 -й эскадрильи 38-го ИАП сбил в районе Мытиярви самолет Ю-21».
При выполнении боевых заданий отмечались случаи потери ориентировки и вынужденные посадки из-за отказа двигателей. При поступлении на фронт новых соединений доля И-15бис была незначительной, а использование самолета как истребителя ограниченным. Достаточно сказать, что действовавшая с 21 декабря 1939 г. с аэродромов в Эстонии особая авигруппа (ОАГ) имела на вооружении исключительно новые И-153.
События января-февраля 1940 г. происходили на фоне заметного улучшения погоды и соответствующего возрастания активности авиации. В этот период И-15бис выполняли задачи различного характера, но использование в качестве истребителя по-прежнему оставалось ограниченным. Тем не менее, сохранились донесения о сбитых самолетах противника. Так, «12 января звеном И-15сбит самолет...», «23 января звеном лейтенанта Конкина (группа полковника Филина) на И-15 в 3-4 км севернее Мятиярви сбит биплан-разведчик».
При оказании помощи окруженным частям 56-го стрелкового корпуса и 54-й стрелковой дивизии И-15бис использовались для сброса грузов. Для этого предназначались специальные десантные мешки ПД-ММ, однако большее распространение нашли импровизированные подвески. В частности, патроны прямо в ящиках подвешивали под нижним крылом на штатных бомбодержателях. Действовали экипажи в условиях плохой видимости, с малых высот, поэтому потери от наземного огня были ощутимыми.
По-прежнему использовались И-15бис для ближней разведки. В середине января 1940 г. три «биса», оборудованные фотоаппаратами АФА-И, действовали в составе 1-й дальнеразведывательной эскадрильи, вооруженной самолетами СБ. До окончания боевых действий это звено выполнило 117 вылетов для фотографирования прифронтовой зоны.
Авиаторы откатывают на стоянку И-15бис
Летчик получает задание на разведку неприятельских позиций
Подготовка к запуску двигателя с помощью автостартера. Зима 1939-40 годов
Подвесной бак на самолете с лыжным шасси. Летчик мог использовать оптический прицел ОП-1 с кольцевым КП-5 (внизу)
В период войны 1939-40 годов финской стороне в качестве трофеев досталось 5 абсолютно исправных И-15бис. Самолеты не принимали участия в боевых действиях, однако активно использовались для тренировок и выполнения вспомогательных задач. История всех пяти экземпляров известна.
И-15бис, первым получивший финское обозначение VH-10, в феврале 1940 г. вошел в состав соединения LLv29. Позднее имел обозначение VH-1, с середины 1942 г. — IH-1. Разбит 11 сентября 1942 г.