Винтомоторная установка в основном варианте имела двигатель М-62 с винтом изменяемого шага (ВИШ) типа АВ-1 диаметром 2,8 м. Первые серии И-153 с двигателями М-25В и М-62 имели воздушные винты постоянного шага диаметром 2,8 м, снабженные обтекателем-коком. На машины с М-63 ставился ВИШ диаметром 2,7 и 2,8 м. Двигатель М-62, снабженный двухскоростным нагнетателем для повышения мощности на высоте, имел максимальный диаметр 1375 мм, полную длину 1100 мм, сухой вес 490 кг (вес М-25В — 435 кг, М-63 — 510 кг). Взлетная мощность М-62 — 1000 л.с. (М-25В — 775 л.с, М-63 -1100 л.с), номинальная мощность у земли 830 л.с, номинальная при включении первой скорости нагнетателя на высоте 1530 м — 850 л.с, номинальная при включении второй скорости нагнетателя на высоте 4200 м — 800 л.с.
Двигатель закрыт капотом типа NACA, в котором имелись 8 отверстий для выхлопных патрубков. 1-й и 9-й патрубки двигателя объединены — нумерация ведется с первого верхнего цилиндра по часовой стрелке со стороны пилота. Капот имеет диаметр 1425 мм, длину 885 мм (капоты машин разных серий были разной длины) и состоял из неподвижного лобового кольца и трех съемных крышек. Крышки ставились на замках, дополнительная фиксация осуществлялась лентой из нержавеющей стали, стягиваемой при помощи тендера. Лобовая часть капота имеет 9 отверстий для охлаждения общей площадью 2000 см2, для регулировки охлаждения двигателя отверстия перекрывались подвижной створкой.
Для улучшения обтекания пространство за двигателем прикрыто внутренним капотом, имеющим съемные крышки для доступа к задней части картера, маслобаку и моторным агрегатам. На машинах первых серий через внутренний капот проходил маслорадиатор с выходом на левом борту фюзеляжа. Для машин с М-62 маслорадиатор увеличили до 8 дюймов и перенесли его за поверхность внутреннего капота, так, что он частично врезался в заднюю кромку внешнего капота в районе 7-го цилиндра. И-153 с М-63 имели еще более увеличенный 9-дюймовый маслорадиатор, который перенесли в подкапотное пространство.
Бензиновый бак дюралевый, сварной, протектированный, отделен от двигателя противопожарной перегородкой, между баком и пилотом перегородки не было. Емкость стандартного бензобака 316 л (240 кг). В нижней части бензобака имелся сливной кран, для подхода к нему предусмотрен соответствующий лючок. В верхней части бака две горловины: для бензиномера и для заливки топлива. Для подхода к этим горловинам в развале «чайки» прорезано два люка (часть машин имела только один — для заправки).
Кабина пилота открытого типа, посадка в нее производилась через левый борт, для чего были сделаны две подножки с подпружиненными крышками и одна рукоятка подобной конструкции для ухвата рукой. Створки кабины — по обоим бортам, причем левая — двухсекционная, для удобства при посадке. Особенность кабины — не прикрытая ничем ферма фюзеляжа, на которую навешивалось все оборудование. Приборная доска — черная, с так называемым муаровым покрытием. Прицел ПАК-1 — черного («приборного») цвета, кожаная обшивка сиденья черная, бронеспинка — стального (каленого) цвета или крашеная в серый цвет.
По бокам приборной доски в кабину выступают затыльники верхних пулеметов ШКАС с рукоятками перезарядки. Нижние пулеметы ШКАС по бортам фюзеляжа над полом кабины, механизм перезарядки — рычажного типа сбоку от пилота. Стволы пулеметов ШКАС помещены в трубы диаметром 64 мм, снабженные окнами для продувки и отвода пороховых газов. На земле передние обрезы труб закрывались крышками.
И-153 наряду с И-16 стал последним советским истребителем, на котором не имелось и не предусматривалось посадочной фары. В качестве осветительного оборудования для полетов ночью на них применялись пиротехнические устройства, называемые посадочными факелами (применялось и название «посадочные ракеты»), К моменту запуска И-153 в серийное производство заводами авиационного оборудования выпускался комплект сдвоенных посадочных факелов типа НГ-12. Установленные под правым нижним крылом в районе 11 — 12 нервюр, в обычном полете НГ-12 находились в убранном положении. При полетах в сумерках и ночью, при заходе на посадку, пилот нажимал кнопку «факел» на электрощитке, после чего цилиндрические стаканчики факелов выходили из гнезд и автоматически поджигались электрозапалом. Время горения достигало 1,5 минуты. В конце пробега факел нажатием кнопки сбрасывался. Каждый факел можно было зажигать и сбрасывать отдельно. Для повышения противопожарной безопасности поверхность крыла в районе установки НГ-12 зашивалась дюралевым листом толщиной 0,5 мм.
Аэронавигационные огни расположены на дугах законцовок верхних крыльев и на концевом обтекателе руля поворота. На левом крыле — красный огонь, на правом — зеленый, на хвосте — белый цокольный огонь. Кроме обозначения положения самолета в ночном полете аэронавигационные огни могли использоваться для сигнализации. Дополнительным средством для обозначения принадлежности самолета и подачи сигналов служил сигнальный пистолет-ракетница с 6 ракетами, крепившийся на правом борту.
Кислородное оборудование, размещенное непосредственно на самолете, состояло из кислородного прибора типа КПА-3 и кислородного баллона емкостью 4 л окрашенного в голубой цвет, с креплением на правом борту. Хотя кислородное оборудование входило в комплект обязательной поставки самолета авиазаводом, во время эксплуатации в частях использовалось редко и обычно снималось. На И-153 предусматривалась установка фотокинопулемета типа ПАУ-22. Место крепления — в районе правого переднего лонжерона верхнего центроплана — «чайки», в обычном полете закрывалось лючком.
Размах верхнего крыла, м: 10,0
Размах нижнего крыла, м: 7,50
Длина в линии полета, м: 6,275
Высота в линии полета, м: 3,425
Площадь крыла, м2: 22,14
