La conception du 14 chasseur de la VVS, le I-14, commença par la confection d'un monoplan en avance pour son époque, sous la direction d'Andrei Tupolev. Ce projet mûrit sachant que la conception n'arriverait pas à échéance, et la VVS commanda deux biplans de "secours", les I-14A et B. Polikarpov venait juste d'être libéré de prison en août 1932, et le projet du I-14A lui fut confié. Quand le I-14 et le I-14A furent prêts pour la production, le modèle de Polikarpov, une évolution du chasseur I-5, devint le fameux I-15.
Le premier vol eut lieu en octobre 1933 avec V.P. Chkalov aux commandes, avec un moteur Wright R-1820 Cyclone d'importation. le I-15, aussi connu sous son nom de développement, TsKB-3, était un chasseur biplan à aile supérieur en forme de mouette. Les ailes étaient en bois, le fuselage était composé d'un alliage d'acier et de duralumin, et l'arrière du fuselage était en tissu.
La production commença en 1934, motorisé à l'origine avec un M-22, une version du moteur en étoile Bristol Jupiter (en) construite sous licence. Bien que moins puissant que le cyclone, les avions possédant le M-22 restaient supérieurs au I-5 qu'ils remplaçaient, montrant une excellente manœuvrabilité. A partir de 1936, il fut équipé d'un moteur M-25 (production sous licence du Cyclone)de 515 kW (700 ch). Un total de 671 I-15 furent construits, 284 en Union Soviétique, et 287 autres sous licence par CASA en Espagne.
L'aile supérieure en forme d'aile de mouette de l'I-15 restait très impopulaire chez certains pilotes, car elle réduisait la visibilité. Par conséquent, le bureau de conception de Polikarpov produisit une version modifiée, toujours mûe par le M-25, mais avec une aile supérieure rectiligne et plus longue. Cette version, nommée I-15bis, fut mise en production en 1937, pour un total de 2 408 I-15bis livrés au total, en 1940.
