Первые И-5 начали поступать на вооружение ВВС со второго квартала 1931 г. По состоянию на 1 октября 1931 г. в ВВС РККА насчитывалось 54 И-5, а на 1 января 1933 г. — 348. В 1936 г. их уже начали снимать с вооружения. В 1938 г. в ВВС Забайкальского военного округа имелось 6 машин, Киевского — 10, Закавказского — 3, Ленинградского — 8. В апреле 1940 г. в списках самолетного парка ВВС числилось 238 И-5, использовавшихся в летных школах. В ВВС ВМФ смена парка проходила более медленно. В 1935 г. в составе ВВС флота имелось 73 машины, годом позже — 152 (из них 41 на Черном море, остальные — на Тихом океане); в январе 1940 г. 31 машина находилось в частях флота и 20 — в училищах морской авиации.
И-5 был и за границей. В октябре 1935 г. перед лицом японской угрозы 21-я эскадрилья из двух отрядов перелетела в Монголию, в Тамсаг-Булак, где занималась патрулированием границы.
В 1934 г. на заводе № 21 А. А. Боровков и И. Ф. Флоров на базе И-5 создали двухместный учебно-тренировочный самолет УТИ-1. Кабину пилота сдвинули вперед и за ней на расстоянии 0,8 м установили другую. Летные характеристики из-за возросшего взлетного веса ухудшились, но были вполне приемлемы для тренировочной машины. Всего построили 20 экземпляров УТИ-1.
И-5 использовался для различных испытаний новой техники. На нем отрабатывались реактивные снаряды РС-82. В КБ Гроховского машину превратили в первый в СССР пикирующий бомбардировщик, подвесив под нижним крылом две 250-килограммовые бомбы. В том же КБ в 1936 г. проектировались для И-5 специальные контейнеры для перевозки десантников, подвешенные вдоль всего размаха нижнего крыла.
И-5 применялся и в системе «Звено» В. С. Вахмистрова. Сверху на крыле бомбардировщика ТБ-1 устанавливались два И-5 с возможностью отцепки в воздухе («Звено-1а»). Это позволяло существенно увеличить радиус действия истребителей. В дальнейшем система совершенствовалась. На ТБ-3 сверху размещались уже три истребителя — два на крыле и один на фюзеляже («Звено-2»). Последняя система с положительной оценкой в сентябре 1933 г. прошла государственные испытания. Наибольшее число истребителей нес другой вариант — «Звено-7» — сверху на крыле ТБ-3 два И-5, снизу — два И-16, в воздухе под фюзеляж подцеплялся И-Z.
Когда началась Великая Отечественная война, в боевых частях имелись считаные единицы И-5. Ввиду больших потерь пришлось использовать и эти устаревшие машины. В тяжелом 1941 г. были сформированы 604-й и 605-й авиационные полки, вооруженные оставшимися в летных школах истребителями И-5. В оборудованном за кабиной летчика небольшом отсеке подвешивались две бомбы по 25 к г. Самолет применялся в качестве легкого штурмовика в битве за Москву. Быково, Пушкино, Клин — таков боевой путь полков, сменивших И-5 на более современные машины в марте 1942 г. В сентябре 1941 г. в составе ВВС 51-й отдельной армии в Крыму был сформирован 2-й штурмовой полк на И-5. На этих самолетах он сражался до января 1942 г., когда его направили в Чапаевск для перевооружения на Ил-2. Там же, в Крыму, на И-5 воевал 11-й штурмовой полк ВВС Черноморского флота (командир — майор И. Ф. Рассудков).
5 ноября 1941 г. капитан Н. Т. Хрусталев штурмовал танки и пехоту немцев в Бельбекской долине. Когда его машину подожгли, он направил ее на скопление немецкой техники. И-5 внес свой, пусть и небольшой, вклад в Победу.
Снова вернемся к событиям в ЦКБ.
Надо учесть, что весной 1930 г. Центральное конструкторское бюро значительно расширилось, вобрав в себя персонал различных проектных организаций, за исключением, пожалуй, конструкторских коллективов ЦАГИ и Аэрофлота. Считалось, что собранные вместе инженеры и конструкторы способны быстро и качественно решить любую поставленную перед ними задачу. Д. П. Григорович был инициатором организации следующей схемы работы ЦКБ.
В отделе предварительных проектов небольшая конструкторская бригада под руководством старшего инженера-конструктора проводила эскизное проектирование нового самолета. Необходимые расчеты по аэродинамике, прочности и т. д. выполнялись централизованно в расчетном отделе. Затем проекты рассматривались и утверждались на заседаниях Технического совета ЦКБ. Одновременно проходило согласование проекта в соответствующих организациях ВВС. В случае удовлетворения технических требований строился макет самолета. Потом проект передавался в конструкторский отдел для разработки чертежей и параллельно в соответствующих отделах проводились прочностные, аэродинамические расчеты, работы по вооружению и оборудованию. Затем проводилась деталировка чертежей, контроль, светокопирование. Эти отделы обслуживали все конструкторские бригады. Главного конструктора ЦКБ не имело, а для координации и согласования работ, исключительно важной ввиду самостоятельности деятельности отделов, существовали консультанты. До середины 1930 г. консультантом был Д. П. Григорович.
Система обозначений в расширенном ЦКБ сохранялась. Например, морской самолет РОМ-2бис имел обозначение ВТ-12. Кроме того, существовала система нумерации по заданиям.
Предполагалось, что такая организация труда будет способствовать повышению скорости и качества проектирования за счет специализации инженерно-конструкторских работников, возможной концентрации усилий коллектива на приоритетных заданиях. Сам Григорович считал, что главными недостатками могут являться лишь: «1) некоторая механизация работы; 2) ограничение кругозора конструкторов рамками заданий в их секциях; 3) наличие постоянного недовольства среди конструкторов». Однако на деле все обстояло иначе. Много времени тратилось на многочисленные согласования, поскольку обособленные специализированные отделы слабо увязывали свою работу с замыслом конструкции. Общее руководство ГПУ, сотрудники которого слабо разбирались в авиации, также не способствовало ускорению проектирования.
Работавший в ЦКБ авиаконструктор и историк авиации В. Б. Шавров так вспоминал об этом: «Система, придуманная ГПУ, себя не оправдала. Она начисто обанкротилась. Оказалось, что, сколько ни бросай [людей] на одно дело, оно от этого быстрее не пойдет. Если, к примеру, на самолете тридцать пар нервюр разного размера, то это не означает, что эти нервюры можно сделать за два дня. Взаимосвязь сотрудников оказалась такой, что сверхтемп проектирования, предложенный ГПУ, оказался ЦКБ не под силу. Ведь крыло обычно рассчитывает кто-то один. Да и любой агрегат самолета делается ограниченным числом людей, и если их количество увеличивать, то проку от этого будет мало. ГПУ этой простой истины не понимало, но при первой же постройке штурмовиков ТШ эта система полностью проявила свои недостатки. Полгода все было в бурном движении: сверху нажим, сверхурочные, а результатов никаких. Работа шла точно так, как если бы велась нормальная работа над этой машиной».
Свидетельствует авиаконструктор А. С. Яковлев: «Организация была многолюдная и бестолковая, расходы большие, а отдача слабая».
Необходимо отметить, что создание ЦКБ неразрывно связано с общей политикой реорганизации авиапромышленности, зачастую тоже не всегда продуманной.
