20世纪50年代到60年代，苏军无法在20000米以上的高度摧毁战略轰炸机和侦察机，这在1960年5月1日苏军拦截美军U-2高空侦察机的尝试中得到了直观的证实。正是在这个时候，防空部队面临着阻止可能的对手高空侦察机和战略轰炸机飞行的任务。防空部队需要一种能够在18000至19000米高度飞行，并能发射“空对空”导弹击落高度显著超过拦截战斗机的飞机。这种飞机就是苏-15，它是苏联第一种高空拦截机。确保拦截和摧毁海拔超过23,000米的目标。
苏-15在飞行技术特性上并不是一款杰出的战机。然而，它是第一款能够以足够高的高度（高达七公里）发射空对空导弹的苏产飞机，无论是热导引头还是雷达导引头的导弹。此外，苏-15配备了两台发动机，其可靠性远高于前几代飞机。航程和飞行时间也比之前的截击机有了显著提高。所有这些都使得解决大规模的航空机动和集中力量于威胁方向的任务成为可能。
苏霍伊设计局于1960年春季开始研发新型截击机，作为对原截击机苏-11（T-47）的现代化改进，该改进型号配备了AL-7Ф-2型发动机，并利用了刚刚终止的苏-截击机T-3М（T-37）计划的成果。
新项目被命名为“苏-15”，工程代号为“T-58”。该项目计划替换苏-9和苏-11截击机。苏-15旨在拦截速度在500至2000公里/小时、高度在500至24000米的空中目标。现代化改进包括赋予新型飞机在更广泛的高低速和迎头（前半球）飞行目标拦截能力。此外，还考虑了实现所有主要拦截阶段自动化的可能性。为了在飞机上安装自动控制系统，T-58的初始布局与T-47相比经历了重大变化——为了在机鼻部分安置更强大的雷达，取而代之的是带有锥形中央天线的机鼻进气口，新型战斗机配备了侧边的可调节平面进气口和垂直制动斜板。随后，由于提高飞机可靠性的要求，设计师们从单引擎版本转向了使用R-11F-300双引擎的方案。最终，苏-15具备了经典第二代超音速战斗机的完整外观。取而代之的是带有锥形中央体的鼻部进气口，新型战斗机配备了侧边的平滑可调节进气口和垂直刹车楔。随后，为了提高飞机的可靠性，设计师们从单引擎版本转向了使用R-11F-300双引擎的方案。苏-15以经典超音速第二代喷气式战斗机的成熟形态亮相。
试验飞机的建造工作于1962年初完成，同年5月30日，试验型号的T58D-1截击机进行了首次飞行。飞机的国家测试从1963年8月开始，到1964年6月结束。
与之前测试的苏-9和苏-11不同，新型截击机几乎没有严重的问题。根据测试结果，最大的缺点只有飞行距离短，因此在苏-15上增加了燃料储备。同时，改进了机身后部与机翼连接处的结构，使其线条更直。1965年4月30日，该飞机被批准进入防空航空的战斗机序列，成为苏-15-98截击机系统的组成部分，包括：苏-15载机（T-58）；武器系统。由RPM-15（“鹰-D58”）雷达和R-98“空对空”导弹以及地面自动引导系统“空气-1”组成的。
单座超音速截击机苏-15是一架全金属中等翼型飞机，采用常规气动布局，配备低置三角翼和流线型机头。其拥有变截面半单翼结构，两侧装有带垂直刹车口的矩形可调进气口，以确保发动机工作。 鼻部装有雷达，其天线被锥形无线电透明整流罩覆盖。
在尾部有四个刹车板，机底下方有一个装有刹车减速伞的容器，用于缩短飞机的滑跑距离。驾驶舱是单座的（在苏-15UT和苏-15UM教练机上是双座的），是密封的。驾驶舱的风挡由一个硅酸盐玻璃的雨刷和一个热稳定有机玻璃的滑动部分组成。苏-15的机翼在平面图上是三角形的，前缘有60°的可变翼形角，从第11系列的飞机开始，机翼上出现了前缘45°的“凸起”。此外，机翼上还有低高度的空气动力脊。尾翼包括一个方向舵和一个可控制的全动平尾。起落架是前三点式。
不同型号的苏-15战斗机配备了两台涡轮喷气发动机，最初是R-11F2S-300，后来是R-11F2SУ-300（在加力燃烧模式下的最大推力为每台6200千克力），这些发动机经过改装，可以从副翼处为边界层控制系统供气。不久之后，它们被新的R-13F-300发动机取代（在加力燃烧模式下的最大推力为每台6600千克力）。燃油系统包括机翼内三个机身燃油箱和两个翼身燃油箱。此外，还可以在机身下挂载两个副油箱。飞行员的生命维持系统包括空调系统和氧气供应系统。在10000米以下高度和速度不超过900公里/小时的飞行中，飞行员的标准装备包括KMK-32氧气面罩、ZSH-3防护头盔和VK-3或VK-4通风服。在超音速飞行时，飞行员会穿上高空补偿服装VKK-4、VKK-6或VKK-6P，密封头盔GS-4MS、GS-6M或GS-4MP。
紧急疏散系统配备由苏霍伊设计局开发的带弹射座椅的KSY-4装置，确保在0米高度及飞行速度范围内（包括加速和速度超过140-150公里/小时的滑行）安全离开飞机。
第一批苏-15飞机没有自动驾驶仪，之后安装了自动化飞行管理系统SAU-58，该系统能够根据地面引导系统“空气-1”和数据传输线“兰色”全自动化完成对空目标的拦截过程（直至发射导弹），无需飞行员参与。导航设备确保飞机在昼夜复杂和简单气象条件下飞行。其组成部分包括：KSI-5型航向系统；UKV频段的RSIU-5（R-802）无线电通信站；RSP-6型盲降雷达系统。机载设备包括“兰色”（ARL-S）无线电导航系统综合引导系统和“警报-2”预警站。苏-15的武器系统也非常强大。它配备了强大的雷达瞄准镜RPM-15“鹰-D58”、“鹰-D58M”或“鹰-D58PA”，带有抛物面天线，能够在远距离上发现和锁定目标。在现代化的苏-15TM上，安装了当时更强大的“台风-M”雷达，能够在高高度飞行时发现目标，发现距离可达65公里，低高度时为15公里。目标锁定距离分别为45公里和10公里。实际上，这标志着在防空战斗机中首次能够进行不与对方飞机目视接触的空战。
苏-15战斗机的武器装备包括两种中等航程的空对空导弹——一种配备半主动雷达制导头的R-98R导弹，另一种配备被动红外制导头的R-98T导弹（最大射程可达20公里），以及两到四枚配备红外制导系统的短程空对空导弹R-60。导弹可以单发或齐射。机体下可以挂载两个UPK-23-250集火箱，里面装有23毫米双管火炮GSH-23L，这显著增强了苏-15对空对地目标的火力。在特殊情况下，也可允许挂载两枚FAAB-250航空炸弹。
苏-15战斗机的批量生产从1966年到1970年在第153工厂（位于新西伯利亚市，以V.P.加加林命名）进行。在这段时间里，共组装了422架苏-15飞机。在同一家工厂，1969年，除了单座的苏-15，还开始批量生产双座的苏-15UT教练机，该生产一直持续到1971年底。苏-15的改进工作一直在进行。在批量生产过程中，为了改善苏-15的起飞和着陆性能，引入了UPС系统——襟翼上的边界层吹除系统。从20世纪60年代末开始，苏霍伊设计局开始进行苏-15大幅现代化的工作，以提高其战斗性能，特别是增加其对目标的发现和打击距离。为此，飞机上安装了新的“台风”雷达，取代了“龙卷风”雷达，并对导弹武器进行了现代化改造。新型号被命名为苏-15Т（工厂编号为T-58T）。在1969 - 1970年间，生产了一小批20架配备“台风”机载雷达的苏-15Т截击机。1970年，出现了改进型的“台风-M”雷达，安装在最完善的苏-15ТМ截击机型号上。在这架飞机上安装了新的强大的涡轮风扇发动机R-13F-300。此外，苏-15ТМ还配备了全新的“蔚蓝”机载设备，与地面引导系统“空气-1M”配合使用，能够以手动、半自动和自动控制模式引导战斗机锁定目标。确保在后半球范围内拦截单个空中目标，高度在500至24,000米之间，速度可达1600公里/小时；在前半球范围内拦截高度在2,000至21,000米之间，速度可达2,500公里/小时。此外，根据军方要求，该型号还具备对地面目标使用武器的能力（航空炸弹、Kh-98M空对空导弹和火炮容器）。1975年1月21日，苏-15TM作为现代化的苏-15-98M拦截系统的一部分被接收用于防空航空部队。
苏-15TM的批量生产在新西伯利亚的工厂进行，从1971年到1976年。总共生产了450架苏-15TM。在苏-15TM批量生产的过程中，其设备和武器系统也多次进行改进和现代化。从第6批开始，苏-15TM配备了SAU-58-2自动控制系统的，使其能够拦截低空目标，而从第8批开始，机头的锥形透明天线罩被椭圆形的天线罩取代。这消除了由于锥形天线罩内表面的虚假反射信号而引起的机载雷达屏幕上出现的干扰，但同时也将飞机的实用升限天花板降低到18,100米。
自1979年以来，苏-15TM飞机开始配备带有近距离空对空导弹R-60的附加机翼挂架（飞机可以携带两枚或四枚这种类型的导弹）。不久之后，R-98空对空导弹被更先进的R-98M导弹取代，这两种导弹也提供了两种版本——带有半主动雷达制导头和红外制导头。R-98M导弹能够以0.6-0.8的概率在最大射程24公里内击中“轰炸机”类目标，高度范围在500到23,000米之间，采用双弹齐射。苏-15TM截击机在很多年里一直是苏联防空航空的主要战斗机之一。1976年，基于苏-15TM建立的新的教练-训练战斗机苏-15UHM开始交付给防空部队。配备有四个带有热成像弹头的导弹（2xR-98M和2xR-60）和两个UPK-23-250，但没有机载雷达。苏-15УМ的批量生产于1976年至1981年在新西伯利亚进行。在整个批量生产期间，制造了大约1400架各种型号的苏-15。
与苏联空军和防空航空装备的其他飞机相比，苏-15在防空航空的发展中代表了一个质的飞跃。因此，苏联国防部和防空部队对这架飞机给予了高度重视。它应该成为标准的截击机，并取代防空部队中多款过时的飞机。新型战斗机的培训在防空部队的红色旗帜航空训练中心开始，该中心位于萨沃斯特利卡村（加里宁格勒州）。该中心的594号训练截击机部队是主要部队，其人员自1967年1月开始学习驾驶苏-15。
在20世纪70年代至80年代，苏-15截击机是苏联防空部队航空兵的主体，是数量最多的现代化截击机群。到20世纪70年代中期，苏-15飞机已装备了29个战斗机团，占防空部队所有战斗航空团的三分之一以上。苏-15飞机执行了大量对入侵苏联领空的外国飞机的拦截任务。1970年，首次苏-15拦截行动发生在9月11日至12日凌晨，第62战斗机团的飞行员在自己的机场迫降了一架希腊空军C-47飞机。最著名的一次苏-15的战斗使用是在1983年9月1日凌晨，当时777战斗机团的中校G.N.奥西波维奇拦截并击落了韩国客机——波音747(该机坠入海峡，机上269人全部遇难)，这架飞机侵入了苏联在堪察加和萨哈林上空的边界，其执飞航线为安克雷奇-首尔。
另一个不太为人知的战斗场面是，苏-15成功进行了空中撞击。1981年7月18日，从伊朗方向进入苏联南高加索边界的是CL-44型运输机。为了拦截这架飞机，起飞了来自166号战斗机中队的两架苏-15，其中一架由V.A.库利亚平中队长驾驶。在时间紧迫的情况下，由于威胁违反者越境，库利亚平按照地面命令撞击了这架飞机，之后他自己也成功弹射出去。为了这一壮举，这位飞行员被授予了苏联红星勋章。
苏-15/苏-15TM 型号飞机在苏联空军和防空部队装备至1991年，而在俄罗斯联邦武装力量中则装备至1994年。