К формированию требований к тактическому истребителю четвертого поколения США приступили в 1965 году. Машина должна была обладать скоростью, соответствующей М=3, иметь экипаж из одного человека и нести мощный комплекс вооружения, обеспечивающий ведение ракетного воздушного боя на больших и средних дистанциях. Маневренным характеристикам особого значения не придавалось.

Однако опыт войны во Вьетнаме показал, что ближний маневренный воздушный бой по-прежнему остается основным видом действий в борьбе за господство в воздухе. Требования к перспективному истребителю были пересмотрены в сторону повышения маневренности и снижения максимальной скорости. По итогам конкурса, подведенным в декабре 1969 года, первое место завоевал проект фирмы McDonnell Douglas, которая предложила самолет, аэродинамическая компоновка которого почти полностью повторяла МиГ-25.

Требования к радиолокационному комплексу нового истребителя предусматривали способность обнаружения целей на всех высотах на фоне поверхности земли. Разработать РЛС с фазированной антенной решеткой в приемлемые сроки было невозможно, поэтому на самолет решили установить импульсно-доплеровский радар со щелевой антенной решеткой, предложенный фирмой Hughes. В качестве двигателя был выбран Pratt Whitney F100-PW-100. На всех модификациях самолета устанавливалась шестиствольная 20-мм пушка М61А1 Vulcan, которая использовалась еще на истребителях второго поколения F-104, F-4E.

В декабре 1969 года компания получила контракт на постройку 20 опытных истребителей, получивших военное обозначение F-15 и собственное наименование Eagle. В процессе проектирования в небывало широких масштабах использовалась компьютерная техника, в результате новую машину удалось создать в относительно короткие сроки. В июле 1972 года самолет был поднят в воздух. Поставки первых серйных F-15A и двухместного учебно-боевого F-15B начались в сентябре 1974 года. Для ведения воздушного боя самолет мог нести УР AIM-9L/V Sidewinder или AIM-7F/M Sparrow.

Двухместный F-15B разрабатывался параллельно с одноместным F-15A в качестве учебно-тренировочной модификации. Первый полет машины состоялся в июле 1973 года, чуть больше года спустя после первого полета F-15A. F-15B отличался от базовой модели удлиненной двухместной кабиной. В учебно-тренировочной модели удалось сохранить все бортовое оборудование, в результате чего стало возможным полноценное обучение стажеров без снижения боевой мощи самолета.

F-15 быстро завоевал симпатии строевых летчиков. Бортовое оборудование и вооружение F-15, а также его высокие летные характеристики дали возможность истребителю действовать автономно в условиях применения противником средств РЭП, днем и ночью, в простых и сложных метеоусловиях, против воздушных целей на больших и малых высотах. Вся необходимая летчику пилотажная и прицельная информация выводилась на индикатор на лобовом стекле. Самолеты зарекомендовали себя очень надежными машинами с высокой безопасностью полетов.

В 1979 году появился модернизированный вариант F-15C и его двухместный аналог F-15D. Самолеты получили новое вооружение, в первую очередь - ракеты средней дальности AIM-120 AMRAAM с активной радиолокационной головкой самонаведения на конечном участке траектории и инерциальным наведением с радиокоррекцией на маршевом участке. Максимальная дальность стрельбы новыми ракетами должна была составлять 50км. F-15C/D отличался усовершенствованным БРЭО, усиленной конструкцией воздухозаборников и других элементов планера, а также увеличенной емкостью внутренних топливных баков и наличием узлов крепления подвесных несбрасываемых конформных контейнеров. В контейнерах FAST PACK (Fuel and Sensor Tactical PACK), которые крепились по бокам фюзеляжа под крылом, кроме 4265кг топлива можно было разместить различное разведывательное или навигационное оборудование, или систему РЭП. В них могли находиться и вспомогательные ЖРД AR2-3A, которые позволяли достичь высоты 23000м. На держателях, расположенных вдоль контейнеров, могли подвешивать шесть авиабомб типа Мк.82 (калибром 450кг).

В ходе доработок на самолетах выполнили усиление конструкции планера, обеспечивающее выполнение маневров с перегрузкой 9g. Усиленное шасси позволило повысить максимальную взлетную массу 36300кг. На самолет устанавливалась новая БЦВМ, программируемая система управления вооружением с цветным дисплеем, модернизированная система РЭП.

Самолет F-15 создавался как истребитель-перехватчик и хотя F-15A и F-15C могли нести ударное вооружение, пилоты этих самолетов даже не отрабатывали боевое применение по наземным целям. Однако в конце семидесятых годов ВВС США встали перед необходимостью поиска замены стареющему истребителю-бомбардировщику F-111. Этот самолет обладал рядом уникальных свойств, основными из которых были большая дальность полета в сочетании с солидной бомбовой нагрузкой, способность выполнять скоростной маловысотный полет в режиме автоматического следования рельефу местности, а также мощный информационный комплекс, включающий БРЛС и тепловизионную аппаратуру, обеспечивающий всепогодный и круглосуточный поиск и атаку малоразмерных наземных целей. Фирма McDonnell Douglas в инициативном порядке провела оценку эффективности применения истребителя F-15 для действий по наземным целям еще в 1976 году. Проект получил наименование Strike Eagle.

В 1980 году программа ETF (Enhanced Tactical Fighter) была свернута по финансовым причинам и благодаря увлечению руководства ВВС США технологией Stealth. Возобновились работы по этой программе только в 1982 году. Ударный самолет F-15E был выполнен на базе двухместного F-15D. Основой нового самолета стала БРЛС с расширенными режимами работы, а также тепловизионное оборудование нового поколения, дающее экипажу возможность уверено пилотировать истребитель на предельно малой высоте в любых погодных условиях, днем и ночью, находить и опознавать малоразмерные наземные цели и применять по ним высокоточное оружие. Первый предсерийный F-15E поднялся в воздух в декабре 1986 года.

F-15E стал первым серийным многофункциональным истребителем, способным с одинаковой эффективностью выполнять удары как по воздушным, так и по наземным целям. По совокупности боевых свойств F-15E надолго занял позицию уникального самолета, не имеющим аналогов в мире. Были созданы экспортные модификации самолета: F-15I Ra'am и F-15S Saudi Arabia. В отличие от базовой модели, ударный истребитель F-15I предназначен, главным образом, для нанесения ударов по наземным целям и оснащен комплектом аппаратуры РЭБ израильского производства, в состав которого входят станция постановки активных помех, приемник предупреждения об облучении, а также средства предупреждения о ракетной атаке. Первые истребители F-15I прибыли в Израиль в январе 1998 года. На самолетах для ВВС Саудовской Аравии F-15S установлен упрощенный вариант бортовой РЛС APG-70.

С середины 2001 года начата модернизация самолета F-15. Вместо индикаторов на электронно-лучевых трубках в кабине экипажа устанавливаются жидкокристаллические цветные дисплеи. Радар AN/APG-70 со щелевой антенной решеткой заменяется на станцию, снабженную активной фазированной антенной решеткой. С целью продления срока службы дорабатывается планер самолета.

В марте 2009 года компания Boeing провела презентацию усовершенствованного многоцелевого истребителя F-15SE (Silent Eagle). При разработке этой модификации главное внимание было уделено снижению заметности самолета. Переднюю кромку крыла покрыли радиопоглощающими материалами, вертикальные кили наклонили наружу на 15°, а подвески вооружения спрятали внутрь конформных отсеков вооружения. Самолет способен применять всю номенклатуру высокоточных средств поражения.

Еще одной особенностью модификации стала установка специально разработанной системы радиоэлектронной борьбы и новой цифровой системы управления. В комплект БРЭО входит БРЛС с активным электронным сканированием AN/APG-63 и нашлемная система целеуказания.

Летные испытания самолета F-15SE начались в июле 2010 года. Предполагается его поставка на экспорт.