В боевых частях И-15бис оставались до 1942 года, после чего были переведены в учебные подразделения. Боевое применение преимущественно ограничивалось нанесением штурмовых ударов по позициям и боевым порядкам противника. Для этих целей на истребители устанавливались бомбодержатели, рассчитанные на поднятие до 150 кг бомб, и направляющие 82-мм реактивных снарядов.
До 1944 года (а в отдельных случаях и до 1945 года) эти самолеты продолжали службу во внутренних округах и на Дальнем Востоке, однако в боевых действиях против Японии в сентябре 1945 года участия уже не принимали.
Одним из самых массовых истребителей в парке советских ВВС на момент начала войны оказался И-153 «Чайка», получивший такое наименование благодаря возврату к характерной форме центроплана верхнего крыла.
Созданный в 1939 году последний советский серийный истребитель-биплан имел убирающееся шасси, 800-сильный двигатель М-62 обеспечивал скорость до 462 км/ч, вооружение состояло из четырех 7,62-мм пулеметов ШКАС. Достоинством самолета оставалась высокая маневренность – время выполнения виража составляло всего 12–13 с. Последний советский биплан принимал участие в боевых действиях против японцев в конфликте у реки Халхин-Гол и в Советско-финляндской войне 1939–1940 годов.
На 22 июня 1941 года в авиаполках ВВС Западных округов насчитывалось более 1500 истребителей И-153, принявших участие в первых боях против люфтваффе. На «Чайках» встретил войну ряд прославленных впоследствии советских асов, в числе которых были Г. Речкалов, А. Клубов, Амет-Хан Султан.
Уже к осени 1941 года И-153 преимущественно были сосредоточены в частях ПВО, привлекаясь в прифронтовой полосе к действиям по наземным объектам. Уже к концу 1941 года численность «Чаек» в боевых частях ВВС, ПВО и авиации флота составляла около 300 машин. Дольше всего они оставались в строю в ПВО Баку, где летом 1942 года еще насчитывался 141 самолет. Окончательно «Чайки», выпущенные общей численностью в 3437 машин, исчезли из боевых частей в 1943 году.
Хотя схема биплана уже явно исчерпала себя, тем не менее у Поликарпова предприняли еще одну попытку ее реализации. С начала 1938 года в КБ велась работа над истребителем-бипланом И-190 с мотором М-88 мощностью 1100 л.с. Однако задержка с доводкой двигателя и наличие других, более приоритетных задач привели к тому, что опытный самолет был создан только к концу 1939 года, при этом полученные характеристики оказались далеки от ожидаемых – так, скорость достигала значения всего 410 км/ч. Работу над последним поликарповским бипланом тем не менее продолжали вплоть до февраля 1941 года, однако добиться скорости 500 км/ч так и не удалось – предельным стало значение 488 км/ч. 13 февраля в очередном полете опытный самолет потерпел аварию из-за остановки двигателя и уже не восстанавливался.