Первый опытный И-15бис, заводской №3354, начал испытываться летом 1937 г. Отличался увеличенным козырьком кабины с установленным прицелом ПАК-1, небольшими окнами за головой пилота, установкой радиостанции РСИ и колесом-роликом на костыле (МЖ)
Кроме того, авиазавод № 1 в течение ряда лет специализировался на изготовлении практически цельнодеревянных Р—5, Р—5ССС и Р—ЗЕТ. В 1936 г. здесь вполне успешно построили почти тысячу разведчиков Р—ЗЕТ. Теперь же, в связи с возобновлением производства И—15, заводу требовалось вновь вернуться к более сложной продукции, т.е. возобновить навыки в частично утраченной технологии.
По первоначальным планам на авиазаводе №1 в 1937 г. планировалось свернуть производство Р—ЗЕТ и приступить к изготовлению двухместного истребителя ДИ—6, разведчика СР (скоростной разведчик С.А.Кочеригина) и лицензионного Валти V—11. Однако неподготовленность производства тормозила внедрение новых машин, поэтому 1937 год оказался абсолютно провальным для завода. От изготовления СР в конечном счете отказались, технологию Валти осваивали в течение года и первые серийные V—11 сдавали в 1938-м. ДИ—6 в производстве шел с не меньшими трудностями — до конца года ВВС приняли 61 самолет, изготовленный на авиазаводе № 1. Р—ЗЕТ, который продолжали выпускать с бортовыми транспортными контейнерами для Аэрофлота, показал при испытаниях неудовлетворительные данные. В результате из 50 заказанных транспортных машин большинство выполнили в обычном варианте, а всего за 1937 год сдали 125 «ЗЕТов».
Вот в таких непростых условиях происходило внедрение И—15бис в серийное производство.
Поначалу, с февраля 1937 г., завод №1 изготавливал ремонтные комплекты для ранее выпушенных и эксплуатирующихся в войсках И—15. Был выполнен заказ ВВС на 150 комплектов усиленных крыльев, часть из которых отправили в Испанию. Затем начали переходить на И—15бис. Для скорейшего внедрения машины в производство на заводе №1 организовали небольшое серийное КБ под руководством заместителя Поликарпова — М.Н.Тетивкина. Первые несколько «бисов», в число которых входили и опытные, строились весной 1937 года.
Головной И-15бис №3253 был готов в апреле, за ним последовали еще несколько экземпляров из состава войсковой серии, однако сдача самолетов, по причине многих недоделок и незавершенных испытаний первого опытного образца, задерживалась.
И-15бис, заводской №3392, строился осенью 1937 г. как эталон для первой половины 1938 г. Самолет испытывался на лыжах от самолета И-15
И-15бис №3392 отличался узким капотом по типу кольца Тауненда и индивидуальными выхлопными патрубками
Первый опытный И—15бис №3354, проходил государственные испытания в период со 2 августа по 3 октября 1937 г. Ведущим летчиком—испытателем был П.Я.Федрови. Два раза испытания прекращали по причине неисправностей и последующих доводок. В ходе полетов использовалось 4 типа воздушных винтов чтобы подобрать наиболее эффективный.
И—15бис №3354 отличался качественной отделкой и окраской, был оборудован радиостанцией РСИ, которая, однако, не использовалась из-за своей недоведенности. Самолет имел увеличенный козырек пилота округлой формы, под которым размещался коллиматорный прицел ПАК—1. К дополнительным отличиям стоит отнести небольшие окна вблизи заголовника для улучшения обзора назад, зеркало заднего вида на центроплане верхнего крыла и управляемый костыль с небольшим колесом (роликом).
В ходе полетов на И—15бис №3354 обнаружилась вибрация оперения и элеронов, поэтому испытания закончили на И—15бис №3353, который отличался обычным костылем без ролика.