本机机身粗短的帆布蒙木制骨架结构的单座双翼机，大部分本系列机型和其他双翼机最明显分别是使用复合材料结构的海鸥型上翼设计，使用开放式座舱和固定式后三点起落架，设有两叶式螺旋桨。飞机的前部机身是铝蒙皮，其余部分为布蒙皮；碟型刹车装置。绝大多数伊-15使用了定距螺旋桨，但也有一部分安装了Vlsh-6型可变距螺旋桨。
座舱挡风玻璃边条处装有OP-1型光学瞄具（英国奥尔迪斯瞄具仿制型），而为了防止仪器故障影响瞄准，还特地在光学瞄具上加装一副KP-5型瞄准铁环。
中期型的伊-152(伊-15bis)上翼为直翼而非海鸥翼(本条目封面图示正是伊-15bis)，和其他同系列很易识别，后期型的伊-153型使用了可收放式起落架，故外观和中前期伊-15有明显分别。使用了更长的发动机护罩，不仅完全覆盖了发动机更延伸到前起落架处，将该出的机身完全包裹。风洞测试显示这样的改进使得机身更符合流线型从而提升速度，巨大的半圆形螺旋桨整流罩完全覆盖了桨毂部分，进一步改善了空气动力学的特性，桨毂整流罩中心突出棘轮用于连接起动机
伊-153型按苏联中央流体力学研究所的试验结果，将机翼又改回鸥式布置，飞机性能有较大幅度的提高。
伊-153除了设计的缺失以外，较不为人所知的是I-153在回转时的恶劣表现。I-153比I-16更容易进入尾旋状态，而且更难以改出。完成第三次回转时候就会进入水平螺旋，进行到第五次发动机则干脆罢工，此时弱项从螺旋状态改出是及其困难的。因此故意进入尾旋状态的行为遭到飞行单位的严格限制，直到后来才发展出一套回复操作程序，但大多数飞行员并没有熟练这套程序需要的时间。 早期部分量产型使用美国莱特“飓风”SGR-1820-F-3型发动机，另一大部分使用苏联的M-22型九缸气冷航空发动机（英国布里斯托“木星”MK VI型航空发动机的授权生产型），但该型发动机的性能表现并不是令人如意，而另外一边美国发动机的苏联仿制型“M-25发动机”的工程进度十分缓慢。不能按期交货。
1934-1935年生产的大部分I-15装M-22发动机，称为I-15 M-22。M-25和M-22发动机功率相差较大，M-25630/715hp；M-22发动机则只有480hp,因而最大速度略有下降(368KM/H---350KM/H),升限则从9800M下降至7250M。直到1936年，生产的I-15才全部装用M-25发动机，称为I-15 M-25。
西班牙战争后，苏联空军领导机关错误地认为：在未来战争中性能更好的双翼战斗机仍然占有重要地位。所以，进一步发展了I-153型战斗机。I-153装用Shvetsov M62R发动机（1000马力），将最大速度提升至444 km/每小时 伊-15的量产先期工作在完成飞行测试之前便已经准备就绪，1934年中夏，第39飞机制造厂生产并交付了首批量产型伊-15战斗机。量产型伊-15配备两挺7.62毫米PV-1同轴机枪（“PV”指”空战用机枪“，是马克沁机枪一种机载改型，用风冷枪管替代了水冷枪管，并使用金属弹链供弹）备弹每挺750发，后期量产型号增设增设了2挺7.62毫米PV-1同轴机枪。弹药存放在油箱后方的机身中部位置，飞机下翼可以加装四具DER32式小型炸弹挂架，能提供40千克载弹量（四枚P-7、四枚AO-8、或四枚AO-10型炸弹）若使用超载配置，亦可携带两枚50千克的炸弹。
伊-152装备了4挺7.62毫米PV-1同轴机枪，位于上部的两挺机枪各备弹1100发，而下方只有各425发，除此之外，大部分量产型I-15比斯装有4个DER-31挂架，每个均负载150千克（FAB-50和AO-25型炸弹各两颗），一些飞机还装载了6具RO-82发射架用以挂在6枚RS-82火箭弹，一些安装了DER-32型挂架同时兼容VAP-6喷洒装置，在诺门罕战役中，使用RS-82火箭弹的I-152担任了相当一部分对地攻击任务
伊-153将最多挂载增加到了8枚RS-82火箭弹，并加装了射速更快4挺7.62mm施卡斯机枪，伊153后来的改进型中，将原先ShKAS机枪更换为4挺12.7公厘( 0.5英寸)BS机枪。
