Центроплан верхнего крыла имел в основе кабан из двух рам, сваренных из труб легированной стали (хромансиль), нижнего крыла – каркас из алюминиевых сплавов. Оба центроплана и зализы на стыке крыла с фюзеляжем обшивались листами из сплава Д1.
Элероны верхнего крыла имели набор из сплава Д6 и полотняную обтяжку. На элеронах справа и слева располагались флеттнеры – металлические пластинки, которые можно было отогнуть на необходимый угол (т.е. регулируемые на земле триммеры).
Верхнее и нижнее крылья соединялись межкрыльными стойками. Последние представляли собой конструкцию из профилей, заключенную в дюралевый обтекатель. На правой стойке устанавливалась трубка приемника воздушного давления. В стойку она входила через специальный зализ. Для увеличения жесткости коробка крыльев стягивалась лентами-расчалками. На И-153 их было 8 (на И-15 бис – 10): две спаренные спереди и две, идущие накрест сзади, с каждой стороны. До сентября 1939 г. лент было вообще только б: спаренные передние расчалки ввели после неоднократных жалоб из войсковых частей на систематические обрывы лент. Перекрещивающиеся ленты соединялись каплевидными деревянными уточками. Крепления расчалок в отличие от И-15 бис утапливались в фюзеляж, улучшая аэродинамику.
Главным силовым элементом фюзеляжа являлась сварная стальная ферма. Поверх этой фермы были одеты легкие дюралевые шпангоуты L-образного сечения, к которым приклепывались такого же профиля стрингеры. В носовой части на мотораме (тоже сваренной из труб)стоял двигатель, заключенный в удлиненный капот типа NACA. Капот состоял из трех частей, стянутых замками, внутренним тросом и наружной стальной лентой. Он несколько расширялся вперед, имея заметную коническую форму. Спереди двигатель был прикрыт щитком с жалюзи, позволявшими регулировать охлаждение. За мотором располагались маслобак (емкостью 30 л, у машин поздних серий – 40 л), бензонасос и другие агрегаты. В верхней части капота находился воздухозаборник маслорадиатора. Нагретый воздух выходил из радиатора через патрубок слева в нижней секции капота.
За противопожарной перегородкой стоял протестированный бензобак емкостью 316 л (240 кг). Для увеличения радиуса действия самолеты поздних серий могли нести на бомбодержателях по два каплевидных фибровых сбрасываемых 100-литровых бака ПГЛБ-100 (впервые испытаны в октябре 1939 г., внедрены на серийных самолетах – с ноября).
Вся передняя часть машины до козырька пилотской кабины была обшита листами сплава Д1, которые могли сниматься при техническом обслуживании истребителя.
За бензобаком находились короба с патронами и открытая кабина летчика. Для входа в последнюю нужно было откинуть вниз боковую створку. От набегающего потока голову пилота защищал трехгранный козырек из оргстекла. Чашка пилотского кресла предусматривала укладку парашюта. В боевой обстановке устанавливалась стальная бронеспинка толщиной 9 мм. В остальное время ее можно было заменить значительно более легкой дюралевой.
Оборудование кабины было традиционным для советских истребителей того времени:' набор самых необходимых приборов, ручка управления, педали и т. п. Управление рулями высоты и элеронами – жесткое, системой тяг И качалок, а рулем поворота – тросами.
Гаргрот начинался сразу после заголовника сиденья и доходил до оперения. Каркас гаргрота образовывали приподнятые над несущей фермой части шпангоутов и довольно частый набор стрингеров. В передней части гаргрота имелся небольшой отсек,где хранилась сумка с инструментами. Гаргрот, как и вся задняя часть фюзеляжа, обтягивался полотном.
Пространство в фюзеляже от сиденья летчика до хвостового оперения было практически пустым. В самой задней части, внизу, находилось усиленное по кромкам сквозное отверстие, через которое при необходимости поднять хвост самолета пропускался лом.
Стык оперения с фюзеляжем прикрывали зализы из листов сплава Д6. Киль, стабилизаторы и рули имели дюралевый каркас и полотняную обтяжку. Стабилизаторы поддерживались V-образными подкосами. На руле поворота стоял флеттнер.
На первых сериях И-153 устанавливались моторы М-25В (фактически только на машинах для войсковых испытаний – 18 экземпляров), затем начали монтировать М-62 и М-63 (и те, и другие – с апреля 1939 г.). Эти двигатели воздушного охлаждения являлись дальнейшим развитием выпускавшегося в СССР по лицензии американского мотора Райт SR-1820-F3 "Циклон" – однорядной 9-цилиндровой "звезды". Габариты и веса этих двигателей были очень близки, поэтому капот и моторама не изменялись. М-25В (взлетная мощность 775 л. с.) имел односкоростной нагнетатель; М-62 с двухскоростным нагнетателем обеспечивал не только большую мощность (1000 л. с. на взлетном режиме за счет форсирования по наддуву), но и лучшие высотные характеристики. При этом в конструкцию мотора внесли ряд усовершенствований – в частности, улучшили охлаждение головок цилиндров за счет развития оребрения. На М-63 внедрили новый карбюратор и еще раз форсировали двигатель, теперь уже и по наддуву, и по оборотам; взлетная мощность при этом достигла 1100 л. с.
Мотор мог запускаться либо электростартером РИ-24, либо от аэродромного автостартера через храповик на втулке винта. В отличие от И-15 бис выхлопные газы не собирались в коллектор, а выводились через индивидуальные патрубки, утопленные в специальных вырезах капота.
