Самолет И-153 — одноместный истребитель-полутораплан смешанной конструкции с убирающимся шасси и открытой кабиной. Глубокая модернизация самолёта И-15бис.

Фюзеляж: каркас - четырех­гранная сварная ферма из стальных труб, профилированная дюралевыми шпан­гоутами и стрингерами для придания ей овального сечения. Спереди к ней кре­пилась на болтах и резиновых аморти­заторах моторная рама, сверху прива­ривалась V-образная стальная ферма, являвшаяся основой средней части цен­троплана, а снизу - дюралевый центро­план нижнего крыла с нишами шасси. Обшивка носовой части фюзеляжа до кабины - съемные дюралевые панели на винтах, хвост обтянут полотном. Перед кабиной установлен прозрачный козырек. Вырез кабины довольно узкий, поэтому с левого борта сделана дверца, откидыва­ющаяся вниз на шарнире. 

Крылья: деревянные, прямоу­гольной формы, с округлыми законцовками. Верхнее крыло значительно боль­ше нижнего, но конструкция их была одинакова - по два коробчатых лонже­рона, ажурные нервюры из реек, дюра­левые законцовки и обшитые фанерой до первого лонжерона передние кромки. На остальной поверхности обшивка по­лотняная. К заднему лонжерону верхнего крыла крепились двухсекционные элеро­ны с алюминиевым каркасом и полотня­ной обтяжкой. Крылья соединены между собой на­клоненными вперед металлическими стойками каплевидного сечения и пере­крестными стальными ленточными рас­чалками. Передние расчалки сдвоенные.

Оперение: имело дюралевый каркас и полотняную обшивку. Стабили­затор дополнительно соединен с фюзеля­жем V-образными подкосами. Место стыка киля с фюзеляжем закрыто алюминиевым обтекателем - «зализом». 

Силовая установка: на И-153 ставили три разных типа девяти­цилиндровых звездообразных моторов воздушного охлаждения, но все они ба­зировались на одном исходном образ­це - американском авиадвигателе Райт «Циклон», который выпускался в СССР по лицензии. Бензобак и маслобак раз­мещались в фюзеляже между крыльями, а маслорадиатор - в трубчатом туннеле под капотом, между мотором и нишами шасси. Винт двухлопастный, металличе­ский, диаметром 2,8 м. 

Шасси: обычной схемы с дву­мя основными стойками и хвостовым ко­стылем, к которому крепилось маленькое колесико из цельной резины. Основ­ные стойки подкосно-пирамидального типа убирались в полете поворотом на­зад в ниши фюзеляжа, при этом колеса поворачивались на 90° и укладывались в ниши плашмя. Выпуск и уборка шасси осуществлялись пневмосистемой с приводом от баллона со сжатым воздухом. При отказе или повреждении пневмосистемы шасси можно было выпустить с по­мощью ручной лебедки, размещенной в кабине. 

Вооружение: на всех И-153, выпущенных в 1939 году, и на большин­стве машин 1940 года стояли четыре син­хронных пулемета ШKAC с боекомплектом по 650 патронов на ствол, установленных попарно сверху и снизу между двигателем и кабиной. В 1940 году также были выпуще­ны 148 экземпляров машины с двумя ШKAC и одним крупнокалиберным синхронным пулеметом БС (боекомплект 165 патронов), который ставили по правому борту. 

На многие самолеты выпуска 1940 года под нижним крылом дополнительно уста­навливали по два или четыре держателя для бомб массой до 50 кг, либо по восемь пусковых установок для реактивных снаря­дов РС-82. 

Модицикации:

И-153 (1938 год) – вариант с двигателем М-25. Выпущена небольшая серия. Вооружение составляли четыре пулемета ШКАС, расположенные попарно с обеих сторон фюзеляжа между кабиной пилота и мотором. Пулеметы стреляли через специальные каналы, имевшие выходные отверстия в верхней части капота двигателя, около воздухозаборника маслорадиатора, а также между окнами охлаждения цилиндров двигателя. Боекомплект ленточного питания из коробок составлял по 650 патронов для каждого пулемета.

И-153БС (1939 год) – модификация с двигателем М-62. Вооружение: один — два 12,7-мм синхронных пулемета БС, размещенных аналогично пулеметам ШКАС. Строился серийно.

И-153-П (М-62) – пушечный. Строился малой серией. Благодаря новому способу синхронизации на этом типе впервые в мире была решена проблема установки синхронных 20-мм пушек. Верхние пулеметы заменялись двумя пушками ШВАК. Боекомплект ленточного питания составлял по 180 снарядов на пушку.

И-153В (1939 год) – высотный; двигатель М-62. Самолет был оборудован герметичной кабиной (ГК) конструкции А.Я.Щербакова для полетов на больших высотах. Кабина сварная из алюминиевого сплава. Стеклянный козырек полукруглой формы. Остекление фонаря было выполнено из больших плексигласовых панелей, и кабина получилась светлой. Фонарь открывался назад и располагался в обтекателе-заголовнике. Герметизация достигалась благодаря прижиму острой кромки крышки фонаря к резиновой окантовке корпуса ГК. Система воздухопитания была регенерационной. Масса ГК – 45 кг.

И-153В (1939 год) – опытный самолет с двигателем М-63 (1100 л.с.), двумя турбокомпрессорами ТК-3 и «мягкой» ГК конструкции Н.Н.Поликарпова. Работы закончены не были.

И-153ДМ (1940 год) – двигатель М-62. В сентябре 1940 года производились опытные работы по установке на самолет двух дополнительных прямоточных двигателей ДМ-2. Максимальная скорость возросла на 33 км/ч. В конце года двигатели ДМ-2 были заменены на ДМ-3 с увеличенной тягой, что позволило получить прирост скорости на 51 км/ч. Несмотря на удовлетворительные результаты, практического применения ДМ не получили, поскольку при их отключении максимальная скорость полета падала.

И-153 – М-63 (1940 год) – модификация с более мощным двигателем М-6З с самозапуском. Самолет оборудовался рацией. Была усилена конструкция. Летные данные из-за возросшей массы изменились незначительно. С целью улучшения боевых качеств ранее выпущенные «Чайки» модернизировались во время ремонта.

И-170 (лето 1939 года) – полутораплан под новый двигатель жидкостного охлаждения М-106. Расчетная скорость составляла более 500 км/ч. Проект не реализован.

И-190 – модификация И-153 под двигатель М-88. Конструктивно самолет представлял собой дальнейшее развитие И-153 с использованием многих узлов и агрегатов «Чайки». Применение в качестве силовой установки перспективного двухрядного звездообразного двигателя М-88 большей длины повлекло изменения в конструкции передней части фюзеляжа. Полотняная обшивка крыльев была заменена фанерной. Хвостовой костыль стал убирающимся. Изменилась форма крыльев и горизонтального оперения.Максимальная скорость, полученная на высоте 5000 м, составила 488 км/ч. Вооружение: четыре синхронных пулемета ШКАС, с возможной заменой на крупнокалиберные БС, 200 кг бомб.

И-195 (весна 1940 года) - Работы над машиной велись параллельно с созданием И-185. Самолет представлял собой его бипланный вариант с мотором М-90. По расчетам скорость должна была составить около 590 км/ч. Вооружение включало две пушки ШВАК и два пулемета БС. Самолет не строился.