Массовым типом И-153 стал самолет, оснащенный двигателем М-62 - всего авиазавод 1 изготовил 3016-3020 таких И-153. Значительно меньше выпустили И-153 с М-63 - 345 экземпляров. При установке на эти, уже изготовленные самолеты, турбокомпрессоров (ТК), существовала реальная возможность заметного увеличения высоты их боевого применения.
Первые опыты с турбокомпрессорами велись на истребителях И-15бис. На боковой части капота с каждой стороны монтировалось по одному турбокомпрессору типа ТК-1 конструкции ЦИАМ. ТК-1 представлял собой центробежную турбину, раскрутка которой происходила под действием отработанных газов двигателя. К каждому ТК подходил выхлопной коллектор от четырех цилиндров. При включении ТК увеличивался наддув двигателя - упрощенно говоря - возрастала подача воздуха в карбюратор.
При установке ТК подкупала возможность доработки самолетов в полевых условиях силами авиамехаников строевых частей.
После первых успешных опытов с турбокомпрессорами была построена войсковая серия из 10 истребителей типа И-15бис ТК, которые прошли испытания зимой 1939-40гг. Дальнейшее развитие работы получили на И-153. С ним оказалось несколько сложнее. Прежде всего пришлось переделывать капот двигателя по типу И-15бис и устанавливать жаростойкие боковины фюзеляжа. Поначалу построили четыре самолета войсковой серии: 6001, 6003, 6006, 6011. Эти И-153, оснащенные двигателями М-25В и М-62, проходили испытания с 19 июля по 29 августа 1939 г., которые, хотя являлись заводскими, одновременно были засчитаны как государственные. В отдельных случаях пилоты забирались на высоту 12 км.
И-153 ТК с М-25В развивал максимальную скорость 455 км/ч на высоте 8750 метров, И-153 ТК с М-62 достигал 482 км/ч на 10300 метров. В 1940 г. турбокомпрессорами дополнительно оборудовали 20 И-153 М-62 и один И-153 М-63. Таким образом общее количество И-153 ТК составило 26 экземпляров. Самолеты предполагалось использовать в частях ПВО.
