Как вспоминали советские добровольцы в своих отчетах и послевоенных мемуарах, на И-15 можно было без особых проблем взлететь в любой ситуации, выдержать длительный и напряженный воздушный бой и вернуться на неподготовленную площадку. Отличался «чатос» («курносый» — прозвище в испанской авиации) и великолепной маневренностью. Как правило, встреча штурмовиков противника («Хейнкель» Хе-45, «Хейнкель» Хс-46, «Аэро» А-101) с группой И-15 всегда оканчивалась срывом выполнения боевой задачи для противника. Из бомбардировщиков мятежников единственным типом, который мог реально отразить атаки этого истребителя, был только «Юнкере» Ю-52.

Экипажи остальных бомбардировщиков, полностью осознавая слабость своего вооружения, использовали для своей безопасности плотные боевые порядки. Однако советские летчики и тут нашли способ: для того чтобы разбить такой порядок, использовали удар с пикирования истребителей И-16, а одиночные машины становились легкой добычей И-15.

Стоит сказать, что прибытие новейших на тот момент истребителей И-16 еще больше усилило позиции республиканцев. Как позже вспоминал один из советских добровольцев Г.Н. Захаров: «Мы знали, что [в Алькалу] прибыла ожидаемая нами вторая группа советских летчиков-добровольцев и что эта группа будет воевать вместе с нами в мадридском секторе на истребителях И-16. Известие о прибытии И-16 несколько сгладило тяжелые впечатления последних боев: теперь мы уже представляли солидную силу и у нас появились шансы стать хозяевами в мадридском небе. Ведь до сих пор мы только сдерживали авиацию противника, теперь же нам были по плечу и более сложные задачи».

Более современным истребителем испанцев был скоростной И-16. Этих машин было поставлено относительно немного и первоначально они использовались крайне ограниченно прежде всего для прикрытия позиций республиканцев способом патрулирования на малой высоте. Это давало моральный эффект и являлось хорошим тактическим приемом — ведь атака снизу для бомбардировщиков противника была практически всегда смертельной, к тому же именно сзади — внизу находилась мертвая, непростреливаемая бортовым оружием бомбардировщика зона. Основной целью атаки для летчика был прежде всего бомболюк — при удачном попадании самолет противника взрывался в воздухе.

Однако появление в испанском небе новейшего германского бомбардировщика «Хейнкель» Хе-111 потребовало изменения тактики летчиков-истребителей. Ведь новая машина была, с одной стороны, скоростной, с другой стороны — хорошо вооруженной. Кроме того, самолет был спроектирован с учетом боевого опыта, полученного в Испании, поэтому особое внимание германских конструкторов было приковано к прикрытию двигателей и топливных баков. Уже после первых боев оказалось, что установленный на советских истребителях скорострельный пулемет винтовочного калибра ШКАС, несмотря на прекрасные характеристики, не мог нанести большие повреждения цельнометаллическому самолету.

В результате советские летчики были вынуждены изобрести тактический прием, с помощью которого значительно увеличивалась вероятность сбитая «Хейнкеля».

Как оказалось, наиболее эффективным оказалось пикирование с передней полусферы до одной высоты с бомбардировщиком и атака незащищенных радиаторов или экипажа, находившегося в большом стеклянном носу. В то же время нельзя не отметить, что атака «в лоб» требовала от летчика И-16 точного расчета, при этом ограниченный боезапас не позволял выполнить повторную атаку. Не стоит забывать, что по атакующему открывали огонь одновременно по крайней мере две огневые точки.

Что касается общих моментов тактики истребительной авиации, то, как правило, сближение с противником республиканские летчики стремились произвести неожиданно для него, используя солнце или облачность. Следующая смена тактики произошла в 1937 году, когда над полем боя авиация мятежников начала появляться смешанными группами в 40—50 самолетов.

Поэтому для атаки бомбардировщиков, сопровождаемых истребителями противника, боевой порядок республиканцев делился на три группы. Первые две связывали боем истребителей ударной группы и непосредственного сопровождения. Третья — атаковала бомбардировщиков.

При отсутствии радиосвязи управление в таком боевом порядке командир осуществлял личным примером. При встрече с противником на встречных курсах первый летчик звена И-15, увидевший противника, доворачивал самолет в сторону от него, затем следовал боевой разворот всем звеном, набор высоты в сторону противника… и атака сверху.

В небе Испании практически впервые сложилась такая ситуация, которая впоследствии повторялась неоднократно: в воздушных боях сталкивались самолеты разных поколений. При этом летчики стремились использовать преимущества своей боевой машины, к какому бы поколению она ни принадлежала. Так, пилоты «Мессершмиттов» Me-109 использовали скорость для внезапного появления и уходили после первой атаки вне зависимости от того, удалось сбить противника или нет (кстати, такая тактика и будет излюбленной в ходе боев на советско-германском фронте). С другой стороны, республиканцы старались затянуть их в маневренный бой. Летчики И-15 старались выполнять разворот в горизонтальной плоскости и, используя меньший его радиус, оказаться позади противника. В групповом бою и в невыгодных для себя условиях И-15 обычно использовали оборонительный круг, прикрывая друг друга с задней полусферы. В конце войны при численном превосходстве в бою против Ме-109 летчики И-16 типов 5 и 6 также использовали оборонительный круг.

Кардинально ситуация в воздухе изменилась с появлением, с одной стороны, И-16 типа 10 (пушечные), а с другой — Ме-109Е новой модификации с трехлопастным винтом изменяемого шага и 20-мм пушкой. Теперь в схватке с противником летчики И-16 могли надеяться только на свое летное мастерство. При атаке на такие самолеты советские летчики выполняли половину виража с переходом в пикирование, разгонялись и тем самым значительно ускоряли все эволюции в бою. Однако летчики более скоростных Ме-109Е были свободны в вертикальном маневре, и, если уходили из-под атаки, то легко перехватывали инициативу в воздушном бою. Таким образом, республиканским летчикам необходимо было решать исход боя в первой же атаке. Второго шанса противник не давал.

Поэтому зачастую единственным выходом была имитация повреждения самолета с планированием на предельно малую высоту, с тем расчетом, что противник сочтет их сбитыми. Если же поврежденный самолет становился неуправляемым, летчик вводил его в пикирование и на малой высоте, на выходе из кабины, раскрывал парашют — в этом случае не требовалось обычных 200 метров, гарантировавших безопасность покидания самолета.

В Испании, вероятно, впервые в истории воздушных войн XX века истребители широко применялись и для действий по наземным целям, используя высокую точность своей стрельбы. Эффективным вариантом штурмового удара летчика-истребителя считалось применение бомб малого калибра в сочетании с огнем бортового вооружения. Обычно бомбометание осуществлялось с пикирования с высоты 2000—2500 метров, после чего выполнялся заход с пологого пикирования на ту же цель с малой высоты с применением стрелкового оружия.

Как уже упоминалось, в Испании для штурмовых действий широко привлекался И-15. При этом, как правило, истребители становились в круг и по очереди атаковывали цель до тех пор, пока не заканчивались боеприпасы.