Il Su-15 è tra gli aerei meno noti dell'ex unione Sovietica poiché ha perso di interesse e non ha mai partecipato a manifestazioni estere ne tanto meno ha trovato un mercato al di fuori dell'URSS.
Basato su Su-7, -9 ed -11 nacque quale sostituto dello Yakovlev Yak-28 Firebar nel ruolo di intercettore ognitempo e cominciò ad entrare in servizio nel 1969. Rispetto al caccia Yakovlev ha un migliore rapporto spinta/peso, grazie ai suoi due potenti motori, e con l'aggiunta della sua raffinata aerodinamica raggiunge prestazioni più elevate paragonabili a quelle degli occidentali F-4 ed F-106. Infatti la sua filosofia prevedeva elevate prestazioni in modo da intercettare i bombardieri prima dello sgancio delle armi e per distruggerli impiegava un potente radar con missili poco accurati ma con notevole potenziale distruttivo, filosofia simile a quella dell'F-106.
L'armamento è costituito da soli missili aria-aria ma può montare pod con cannoni utilizzabili anche nel mitragliamento contro oggetti di superficie.
All'inizio del suo sviluppo aveva un'ala a delta semplice con freccia di 60°, in pianta come quella del Su-9 ma poi è stato prodotto maggiormente nelle versioni con ala a freccia composita, di 45° alle estremità.
Si costruirono diversi prototipi contrassegnati tutti dalla lettera T (Tregolnii, triangolo, riferito alla forma dell'ala in scala) ed in ognuno si potevano trovare un carattere della versione di serie, come il T-49 che aveva le prese d'aria sdoppiate ed il T-53 che era bimotore.
Fu così che prese vita il P-1 (Perekh-vatcik, intercettore) che era una sorta di dimostratore di tecnologia del Su-15.
La specifica fu emanata prima del 1962 e dal P-1 Pavel Osipovic' Sukhoi riuscì a trarne il T-5B (o T-58), prototipo del Su-15, che volò per la prima volta il 30 maggio 1962 a Mosca-Zhukovsky.
La bibliografia associa a questo velivolo il sistema d'arma Uragan-5B (Skip Skin), già montato sullo Yak-28P ma sembra che in realtà non sia mai stato utilizzato tale sistema. I primi Su-15 di pre-serie montavano il radar Oriol e non l'Uragan-TsP anche se i due erano simili. La NATO comunque indica come Skip Skin e Twin Scan i radar montati sui Flagon senza una più precisa designazione. Infatti la NATO all'epoca conosceva bene le caratteristiche dei radar russi, grazie alle numerose missione di ELINT, ma non ne conosceva le designazioni ma si pensa che il radar tipico sia stato l'Oriol-D (Twin Scan) con una potenza di picco in trasmissione di 100 kW, in banda X, una doppia frequenza di scansione a 8.690 e 8.995 MHz con impulsi di 0,5 microsec ed una PRF (Pulse Repetition Frequency) di 2.700-3.000 p/sec. La portata dovrebbe essere di 40 km in scoperta e circa la metà in inseguimento.
I primi aerei furono presentati nella memorabile Giornata dell'Aviazione del 9 luglio 1967 a Mosca-Domododevo quando furono presentati svariati aerei ancora sconosciuti all'Occidente. Del Su-15 erano presenti un esemplare completamente nero (probabilmente il prototipo), tre rosso-arancio della pattuglia acrobatica, ed alcune versione speciali come la configurazione STOL, con turboreattori portanti (denominata T-61, Su-15VD o Su-15DPD Flagon-B), che rimase allo stato prototipico, così come fu per tutte le varianti STOL dei caccia russi, tranne poche eccezioni.
L'aereo è entrato in servizio per le sole missioni aria-aria e nonostante il gran numero di esemplari costruiti non ha ricevute notevoli modifiche nel corso della produzione.
La versione Flagon-E, ritenuta matura, entrò in servizio nel 1973 seguita dalla versione finale Flagon-F e rimasero in servizio fino al 1994-1996 anche se in alcuni paesi dell'ex Impero Sovietico sono rimasti più a lungo tra le file della difesa aerea.
La versione Flagon-E (in Occidente conosciuta come Su-21 per molto tempo), secondo alcune fonti denominato Su-15TM, aveva rispetto ai precedenti un'ala di apertura maggiorata di 60 cm, radar Taifun-M e motori R-13-300 da 6.500 kg/spinta al posto degli R-11F2S-300 da 6.200 kg/spinta; aveva inoltre due ulteriori punti d'attacco.
Il Flagon-F invece aveva, oltre alle precedenti modifiche, un radome di forma ogivale con migliori capacità dielettriche mentre sulla sua motorizzazione le fonti indicano due differenti tipi, cioè due R-13F2S-200 da 7.200 kg/spinta (chiamandolo Su-15TM) e due R-25 da 7.500 kg/spinta (chiamandolo Su-15bis). Inoltre pare che possa impiegare i missili R-40 (AA-6 Acrid).
L'arma principale del Su-15 è il missile R-98 (R-8M2, originariamente K-8) versione di quello destinato a Yak-27, -28 e Su-11 ma compatibile con il radar Oriol-D e Taifun-M. questo missile pesava 292 kg ed aveva una gittata di 18 km. Nel 1973 entrò in servizio la versione R-98MR a guida radar ed R-98MT a guida IR che ancora oggi è utilizzato in Azerbaigian, Bielorussia ed Ucraina.
Gli aerei entrati in servizio avevano una mimetizzazione color alluminio mentre alla fine degli anni 80 è stata applicata la colorazione a due toni di grigio, come i Su-27.
