После того, как И-15 с крылом типа «чайка» поступил в эксплуатацию, от летавших на нем в военных пилотов поступил целый ряд жалоб. Эти жалобы, концентрировались в основном вокруг крыла типа «чайка», и вынудили Поликарпова (даже при том, что он лично был отрицательно настроен в отношении данной идеи) перепроектировать данный элемент конструкции И-15, заменив его стандартной прямой секцией, поддерживаемой N- образными внутренними стойками. Проект такого модифицированного истребителя получил обозначение ЦКБ-3бис.
Прототип ЦКБ-3бис оснащался двигательной установкой с мотором М-23В, мощностью 775 л.с., являющимся развитием М- 25 («Wright Cyclone»). Эта модифицированная двигательная установка оснащалась карбюратором К-25-4Д, а также имела и другие незначительные улучшения. При этом сухой вес двигателя поднялся с 435 кг до 459 кг.
Помимо новой конфигурации верхнего крыла ЦКБ-3бис имел и целый ряд других отличий от стандартного И-15. Кольцо Тауненда заменил аэродинамически чистый, длинный капот. Он включал жалюзи с регулируемыми створками, расположенные перед двигателем для улучшения условий его охлаждения. Изменилась и выхлопная система, которая теперь включала коллекторное кольцо с одним большим выхлопным патрубком на каждой стороне носовой части. На верхней части капота был расположен тоннель воздухозаборника. Для уменьшения их аэродинамичекого сопротивления на прототипе устанавливались обтекатели основных колес. ЦКБ-3бис получил хвостовое колесо вместо хвостового костыля, использующегося на И-15.
Устанавливаемый на И-15 треугольный козырек кабины был заменен гладким закругленным козырьком, напоминающим козырек, использующийся на истребителе- моноплане И-16. Прицел ОП-1 использовавшийся на всех И-15 был заменен улучшенным прицелом ПАК-1 (являющегося копией французского прицела «Clair»). Опытный ЦКБ-3бис был оборудован радиостанцией РСИ-3. Стойки антенны были размещены на обоих законцовках верхнего крыла, с них провод антенны тянулся к узлу крепления расположенному на передней стороне вертикального стабилизатора. Тогда как большинство серийных И-15 имели строевые огни на верхней и нижней поверхности законцовок верхнего крыла, ЦКБ-3бис и все последующие серийные И-152 имели на законцовках крыла одиночный строевой огонь. На ЦКБ-3бис на верхнем крыле по правому борту устанавливалось зеркало заднего обзора.
На гаргроте за кабиной было добавлено небольшое окошко (позади заголовника пилота). В то время как серийные И-15 не имели триммера на руле направления, ЦКБ- 3бис и все более поздние И-152, получили на руле триммер большой площади; рядом был установлен строевой огонь. Опытный самолет имел триммеры и на элеронах, чего не было на И-15.