Несмотря на решение о производстве И-15, первоочередной задачей считался ремонт поврежденных машин. В 1937 г. в ремонт поступило 67 И-15, из которых 11 восстановлению не подлежали. В период 1937-38 годов только на завод SAF-3 в ремонт поступило 194 И-15, из них 55 разобрали на запасные части для других самолетов. Реально в ремонте побывали все машины. Отдельные аппараты выдерживали по 4-5 «восстановлений», их налет при этом составлял 350-400 ч.
К лету 1937 г. в Испанию из Советского Союза прибыл еще 31 экземпляр И-15. Таким образом, общее количество доставленных на Центральный фронт И-15, с учетом ранее прибывших, составило 116 машин. К началу летних боев 1937 г. на родину вернулись и 20 молодых испанских летчиков, прошедших обучение летному делу в школе под Кировабадом (ныне Гянжа). Одновременно с ними прибыла группа к-на Еременко, которая поначалу летала на И-16. Вскоре из-за малого количества И-16, эту группу пересадили на И-15. Во главе с Иваном Еременко эти летчики составили костяк эскадрильи 1а (Лакалье откомандировали в Советский Союз). Эскадрильей 2а продолжал руководить испанец Роберто Алонсо Санта-Мария, эскадрилью За после гибели в бою летчика Василия Зоценко возглавил Александр Осадчий. Все эскадрильи И-15 с мая 1937 г. свели в Группу 26.
В июле, с началом Брунетской операции, националисты перебросили под Мадрид группу бомбардировщиков Ju 52 из состава легиона «Кондор» для ведения ночных действий. Республиканцы в качестве ответной меры сформировали группу ночных истребителей из состава первой эскадрильи «чатос» под командованием Николая Кузнецова. В Испании это подразделение получило известность как «Ночной патруль», поначалу в него вошли пилоты, имевшие опыт ночных полетов — Анатолий Серов (спустя короткое время он возглавил группу «ночников»), Леонид Рыбкин, Михаил Якушин и Владимир Сорокин.
Первая ночная победа в испанской войне была одержана в ночь на 27 июля 1937 г. На охоту вылетела пара Серов и Якушин. В тот раз удача сопутствовала Михаилу Якушину, он не только поджег Ju 52, но и поразил практически весь экипаж — на парашюте спасся лишь один пилот вражеского бомбардировщика. Победу торжественно отметили, при этом премьер испанского правительства Хуан Негрин подарил каждому летчику золотые часы и по легковому автомобилю. Впрочем, Серов недолго ходил в должниках, буквально на следующую ночь он также уничтожил Ju 52.
Боевые действия ночной группы в дальнейшем продолжились. Осенью 1937 г. патруль действовал против итальянских бомбардировщиков, которые летали по ночам с о. Мальорка бомбить Барселону. В ночь на 25 октября 1937 г. Евгений Степанов, несколько раз безуспешно обстреляв трехмоторный SM.81 из 251-й эскадрильи, в горячке боя рубанул винтом своего самолета по хвосту «Савойи». Итальянец удара не выдержал и упал в 4-х км от Барселоны. Степанов благополучно привел свой И-15 на аэродром.
«Ночной патруль» продолжал летать вплоть до окончания боевых действий в Испании. В тот период ночные пилоты обзавелись своей эмблемой, представлявшей собой белый круг, в котором под маленьким лунным серпом парила летучая мышь. На заключительном этапе боев в Каталонии группой командовал испанец Хосе Фалько.
Поступление первых пятнадцати И-15 на Северный участок фронта состоялось в ночь с 1-го на 2-е ноября 1936 г. Эти самолеты вошли в группу Бориса Туржанского, которая вплоть до лета 1937 г. действовала в этом составе, не получая подкреплений, т.к. основные события развивались на Центральном участке фронта. В дальнейшем, с отбытием советских летчиков, на этих И-15 летали испанцы.
И-15 прогревает двигатель перед взлетом с распаханного поля
«Чато» из эскадрильи Лавалье (предположительно). 1937 г.
Слева — завершение работы над очередным И-15 на заводе в местечке Сабадель. Справа — летчик занимает место в кабине И-15
К началу лета 1937 г. обстановка на Северном фронте ухудшилась. Республиканским войскам, обороняющим Бильбао и Сантандер, не хватало оружия и боеприпасов, количество самолетов неуклонно уменьшалось. Националисты же наоборот, наращивали здесь свои силы.
Республиканское правительство неоднократно пыталось обеспечить северным «курносым» подкрепление, начиная с мая и по июль 1937 г., из Центральной зоны направили около 25 И-15. При этом перелет на север можно было осуществить только через вражескую территорию. Протяженность маршрута составляла почти 400 км.
Первая дополнительная поставка И-15 на север в составе 6 самолетов состоялась 21 мая. Три дня спустя испанская эскадрилья в составе 10 «чатос» вылетела на север. До цели добрались 8 машин — один пилот заблудился и совершил вынужденную посадку на вражеской территории, еще один самолет сбили «Фиаты». Прибывшие истребители позволили довести состав группы И-15 до 17-18 машин (из них часть находилась в ремонте). Впрочем, значительные потери привели к тому, что 5 июня на севере оставалось всего 7 И-15: 3 в боеспособном состоянии и 4 — в ремонте.
2 июля 1937 г. в Сантандер под лидированием СБ перелетели 10 И-15 и 9 И-16. Еще 4 И-15 поступили 19 августа. Таким образом, общее количество «чатос», отправленных на север, составило 45 экземпляров. Спасти положение эти малочисленные подкрепления уже не могли. В период боевых действий на севере никогда не насчитывалось более 15 боеспособных И-15. В октябре 1937 г. республиканская территория на севере Испании была потеряна. Последние 2 И-15 и 1 И-16, способные подняться в воздух, перелетели во Францию.