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.
На первых сериях (до августа 1939 г.) И-153 (и с М-25В, и с М-62) стояли двухлопастные винты постоянного шага диаметром 2,8 м. Втулка такого винта закрывалась большим округлым коком по типу И-15 бис. Направление вращения – правое. Позднее внедрили винты изменяемого шага двух типов: АВ-1 (конструкции Жданова) и ВВ-1 (Бас-Дубом). Оба этих винта – двухлопастные, металлические, с гидроцентробежным механизмом управления. АВ-1 имел диаметр 2,8 м. ВВ-1 – 2.9 м. Ширина лопастей тоже разная: у первого – до 250 мм, у второго – до 217 мм. Отличалась и конструкция механизма управления изменением шаге, хотя внешне втулки винтов были очень похожи. С самолета с зав. № 6030 старые и новые винты устанавливались вперемежку: окончательный переход произошел на серии, начинавшейся самолетом с зав. № 6204. Машины с М-63 комплектовались только АВ-1. Впоследствии новые винты досылались в части, где на истребители болев раннего выпуска их устанавливали бригады с завода № 1. Втулка была открытой, но на самолетах поздних серий появился небольшой остроконечный кок.
И-153 имел типичное для того времени шасси с хвостовым колесом. Основные стойки консольно- пирамидального типа состояли из собственно стойки с маcляно-воздушной амортизацией и двух подкосов. Как стойки, так и подкосы крепились к ферме фюзеляжа. При уборке стойки разворачивались на 90' и укладывались колесами плашмя в гнезда центроплана, фиксируясь в этом положении замками. Колеса сверху до оси закрывались навешенными на них щитками, а стойки полностью прикрывались створками, закрепленными у оси самолета. Пневматики основных колес имели размер 800x150 мм. Колеса оснащались пневматическими дисковыми тормозами, торможение левого и правого колес – раздельное.
Уборка и выпуск шасси производились пневмосистемой. Вопреки распространенному мнению, уборка шасси вручную не предусматривалась. Лишь для аварийного выпуска можно было использовать ручную лебедку и систему блоков. Костыльное колесо – полуориентирующееся, изготавливалось из литой резины. Костыль имел масляно-воздушную амортизацию.
Зимой колесное шасси могло заменяться лыжным, также убирающимся. Лыжи, схожие с лыжами И-16. были деревянными, окованными по кромкам, прямоугольными по форме с округлыми и приподнятыми вверх мыском и пяткой. При установке лыжи колесо снималось, а на ось через стальную переходную серьгу одевался дюралевый кабан лыжи. Кроме того, лыжа соединялась с фюзеляжем дополнительной тягой, в которую был вмонтирован воздушный амортизатор двойного действия. После уборки лыжа подтягивалась к центроплану вплотную – так, что мысок и пятка выступали за крыло. Щитки колес в этом случае снимались, а створки, закрывающие стойки, заменялись специальными зимними или тоже снимались. На вилку костыля также одевалась небольшая лыжа, подобная хвостовой лыже И-15 бис.
Большинство самолетов И-153 несло вооружение из четырем синхронных пулеметов ШКАС калибра 7,62 мм. Пулеметы располагались в фюзеляже двумя парами: одна сверху, над бензобаком: другая примерно посередине высоты фюзеляжа, по бортам. Стреляли они через длинные огневые трубы, проходившие между цилиндрами мотора. ШКАСы верхней пары имели ручки перезаряжания турельного типа, а нижней – крыльевого. Верхние пулеметы монтировались на специальных балках – лафетах, являвшихся также элементами крепления бака. и питались из отдельных патронных коробок (правая на 750. левая – на 700 патронов), вынимавшихся каждая на свой борт. У нижних пулеметов, которые крепились к втулкам, приваренным к фермам фюзеляжа, была одна общая коробка. разделенная на две части. Она вытаскивалась для перезарядки на правый борт. Боезапас правого пулемета составлял 520 патронов, левого – 500.
Стреляные гильзы от всех пулеметов по специальным свальным трубам- гильзоотводам выбрасывались за борт. Звенья лент от верхних пулеметов поступали в звеньесборник – брезентовый мешок, укрепленный на металлической раме по левому борту, между фермой и обшивкой, а от нижних – выбрасывались за борт.
Спуск пулеметов механический, тросиками. На машинах последних серий ввели пневмоперезарядку, поскольку усилие для одновременного взведения всех четырех пулеметов было очень велико. Прицел ПАК-1 коллиматорного типа. В случае его отказа можно было пользоваться прицелом-дублером – кольцом с мушкой. Дублер в нерабочем положении откидывался на правую сторону.
Истребитель мог нести бомбовое вооружение. Балки бомбодержателей являлись интегральной частью
