Во второй половине пятидесятых годов для советской авиации наступили тяжелые времена в связи с пристрастием руководства страны к ракетам. В то же время на Западе появились новые ударные авиационные комплексы, что заставляло советских военных вырабатывать ответные меры. В частности, требовались истребители ПВО с большими рубежами перехвата, способные атаковать цели в переднюю полусферу. Учитывая симпатии политического руководства страны, ставить вопрос о создании каких-либо новых самолетов было почти невозможно, речь могла идти только о модернизации существовавших машин.

В такой обстановке в марте 1960 года ОКБ Сухого начало работы по созданию самолета, получившего заводской шифр Т-58. Новую тему оформили как дальнейшую модернизацию Су-11. Самолет планировали оснастить РЛС с большими дальностью действия и углами обзора, а также ракетами с более высокими характеристиками. Из-за больших размеров радара его невозможно было разместить в носовой части Су-11, оснащенного осесимметричным воздухозаборником. Под станцию требовалось выделить всю носовую часть самолета, а следовательно, перейти к боковым заборникам. В итоге, новый перехватчик обрел классический вид реактивного самолета 2-го поколения.

Строевые части, осваивавшие Су-7Б и Су-9, столкнулись со значительными трудностями. За первые полтора года эксплуатации в летных происшествиях были потеряны 23 машины, причем более половины из-за отказов единственного на самолете двигателя АЛ-7Ф, надежность которого оказалась крайне низкой. В связи с этим руководство ПВО сделало свой выбор в пользу двухдвигательных Як-28П и Ту-28, а МиГ-21 стал реальной альтернативой Су-7, Су-9 и Су-11. Таким образом, перед ОКБ Сухого зримо встала перспектива полного свертывания серийного производства перехватчиков его разработки.

В такой ситуации Павел Осипович принял очень важное решение о применении на Т-58 вместо одного АЛ-7Ф двух достаточно доведенных двигателей типа Р-11Ф-300 Туманского. Новый вариант самолета обозначили Т-58Д. В официальных документах военные по-прежнему называли новый самолет Су-11М.

Перехватчику Т-58Д предстояло работать, прежде всего, по одиночным неманевренным целям, летящим на высотах от 2 до 24км со скоростью до 2500км/ч. Не имея существенного преимущества в скорости, перехватывать такие цели в заднюю полусферу было практически невозможно, поэтому предполагалось сбивать их на встречных курсах, а менее скоростные летательные аппараты атаковать с обоих направлений. Методика перехвата целей, имевших больший, чем истребитель потолок, была уже опробована на Су-11 и принята в качестве стандартной. Она включала в себя: выход на опорную высоту полета с одновременным наведением по курсу, обнаружение цели с помощью РЛС, захват ее на сопровождение и при подходе на дальность пуска - выполнение горки с пуском ракет. Нижний предел высоты стрельбы определялся характеристиками РЛС, не обладавшей возможностями обнаружения целей на фоне земли. Повысить боевые возможности комплекса планировали также путем максимальной автоматизации управления самолетом на всех этапах перехвата.

Испытания прошли на удивление гладко и в 1965 году самолет был запущен в серийное производство под обозначением Су-15. Практическая отработка применения ракет К-98 (Р-98) показала, что при атаке скоростных целей с передней полусферы радиовзрыватель ракеты не успевал срабатывать. Удалось добиться надежного поражения целей летящих со скоростью не выше 1200км/ч. Недостаточной оказалась перегоночная дальность самолета, посадочная скорость была слишком высокой, а недостаточная эффективность элеронов на малых скоростях затрудняла посадку при боковом ветре. Но в остальном самолет был прост в управлении и доступен для освоения летчикам средней квалификации.

Разработка системы автоматического управления самолетом затянулась, так как подобную систему ОКБ Сухого разрабатывала впервые. В результате на первые серийные самолеты не устанавливался даже автопилот и не было демпферов в каналах управления. Однако устойчивость и управляемость самолета оказались вполне приемлимыми.

Для повышения эффективности элеронов решили увеличить их площадь. На концевых частях крыла установили наплывы с уменьшенной стреловидностью, за счет которых размах крыла вырос на 720мм. Новое крыло начали устанавливать на Су-15 с 1969 года. В это же время внедрили систему управления пограничным слоем, за счет которой посадочная скорость снизилась на 40км/ч. Увеличили внутренний запас топлива. Однако после доработок потолок самолета снизился до 18100м вместо 18500м.

Характеристики Су-15 не по всем позициям соответствовали требованиям военных. Двигатель Р-11Ф-300 хоть и отличались большей надежностью, чем АЛ-7Ф, но имели и ряд недостатков. В ходе эксплуатации были случаи помпажа, остановки двигателя на больших высотах, нестабильный запуск в полете, повышенная пожароопасность. Исправить положение была призвана программа модернизации машины. На самолете предусматривалась установка двигателей Р-13-300, доработка оборудования, самолет оснащался РЛС "Тайфун" и САУ-58. Испытания модификации Су-15Т начались в 1970 году.

С помощью САУ-58 планировали реализовать и принципиально новый режим - автоматический маловысотный полет. Его необходимость объяснялась новым жестким требованием военных обеспечить на модернизированном Су-15 перехват маловысотных целей (с высотой полета от 500м). Так как моноимпульсная РЛС "Тайфун" все еще не могла различать цели на фоне земли, то их необходимо было "подсвечивать" снизу. Система огибания рельефа местности на основе радиовысотомера, установленная на Су-15Т, обеспечивала маловысотный полет только над равнинной или слабо пересеченной местностью. На борт устанавливалась и радиотехническая система ближней навигации и посадки РСБН-5С, которая обеспечивала полуавтоматический заход на посадку до высоты 50-60м, что значительно повышало допустимый метеоминимум.

Были попытки оснастить самолет встроенной пушкой, которую пробовали установить в корне крыла или в фюзеляже. Но в качестве штатного артиллерийского вооружения Су-15 был принят подвесной универсальный пушечный контейнер УПК-23-250 с пушкой ГШ-23.

Вариант Су-15Т был по сути переходной машиной на пути к Су-15ТМ и выпускался только малой серией. Модифицированный комплекс перехвата Су-15-98М, установленный на Су-15ТМ, обеспечивал в автоматическом и ручном режимах управления перехват одиночных воздушных целей с задней полусферы в диапазоне высот 0,5-24км со скоростями до 1600км/ч и на встречных курсах на высотах 2-21км со скоростями до 2500км/ч. В состав вооружения перехватчика включили модифицированную ракету К-98М, а в конце семидесятых и новую ракету ближнего боя Р-60. Первые самолеты Су-15ТМ поступили в боевые части в 1972 году. Всего было построено 1400 перехватчиков Су-15 всех модификаций.