Разработка самолета началась весной 1960 года, в рамках модернизации исходного перехватчика Су-11 (Т-47. Новый проект  получил обозначение Су-15 и рабочий шифр Т-58. Модернизация предусматривала придание самолету возможности перехвата целей в более широком диапазоне высот и скоростей полета, в т.ч. на встречных курсах (в переднюю полусферу цели). Кроме этого, рассматривалась возможность автоматизации всех основных этапов перехвата, для чего  на самолете должна была устанавливаться система автоматического управления.

Постройка опытного самолета была завершена в начале 1962 года, первый полет опытный экземпляр перехватчика Т58Д-1 совершил 30 мая 1962 года (летчик-испытатель В.С. Ильюшин). Государственные совместные испытания (ГСИ) самолета провели в короткие сроки, с августа 1963-го по июнь 64-го года; в отличие от ранее испытывавшихся Су-9 и Су-11, они прошли без серьезных замечаний. 30 апреля 1965 года самолет был принят на вооружение в составе комплекса перехвата Су-15-98, включавшего самолет-носитель Су-15 (Т-58), систему вооружения с  радиолокационной станцией РП-15 («Орел-Д-58») и ракетами Р-98 в двух вариантах: с полуактивной радиолокационной ГСН и пассивной тепловой ГСН, а также наземную часть – систему наведения типа «Воздух-1М». Таким образом, Су-15 стал третьим, после Су-9 и Су-11 серийным перехватчиком ОКБ, принятым на вооружение в составе комплекса перехвата.

Учебно-тренировочный вариант самолета (У-58Т) построили на заводе в г. Новосибирске в 1968 году, 28 августа 1968 г. летчик-испытатель ОКБ Е.К. Кукушев совершил на нем первый полет. Государственные испытания завершились в 1969 году, в 1970 году самолет  был принят на вооружение под обозначением Су-15УТ и серийно выпускался до конца 1971 года.

Начиная с середины 60-х в ОКБ проводились работы по модернизации исходного варианта Су-15 в направлении повышения его боевых характеристик – увеличения дальности обнаружения и поражения целей, для этого на самолете планировалось установить новую РЛС «Тайфун» (вариант РЛС «Смерч») и модернизировать ракетное вооружение. Новая модификация получила обозначение Су-15Т (заводской шифр Т-58Т). Дополнительно, по требованию военных, на самолете предусматривалась возможность применения оружия по наземным целям (бомбы, НУРС и пушечные контейнеры). Опытный самолет с новым оборудованием построили в конце 1968 года, первый полет летчик-испытатель В.А. Кречетов выполнил на нем 31 января 1969 года. Государственные испытания проводились в период 1969-73 г.г., и 21 января 1975 года самолет в составе модернизированного комплекса перехвата Су-15-98М был принят на вооружение.

В  начале 1976 года был построен опытный экземпляр модернизированного двухместного самолета – Су-15УМ, первый полет на нем выполнил 23 апреля 1976 года экипаж заводских летчиков-испытателей в составе: В.Т. Выломов и В.А. Белянин. Испытания самолета завершили в ноябре 1976-го, серийное производство Су-15УМ осуществлялось до 1981 года включительно.

Всего на Новосибирском авиазаводе было выпущено около 1300 самолетов типа Су-15. Серьезных программ модернизации Су-15 в строю не производилось, если не считать того, что в конце 70-х – начале 80-х г.г.  весь наличный парк этих машин был доработан для обеспечения подвески на дополнительных пилонах под крылом 2-х ракет ближнего боя типа Р-60.

В период наибольшего развертывания, Су-15 находились на вооружении 29 истребительных авиаполков, что составляло более трети (!) строевых авиачастей войск ПВО.

На вооружении войск ПВО и ВВС СССР самолеты типа Су-15 (Су-15ТМ) состояли до 1991 года; в составе вооруженных сил РФ – до 1994 года, а на Украине – до 1996 года включительно. Последней строевой частью, имевшей на вооружении самолеты типа Су-15, был авиаполк вооруженных сил Украины, базировавшийся на аэродроме Бельбек в Крыму.

Экипаж: 1 пилот.

Размах крыла: 9,34 м;

Длина: 22,03 м;

Высота: 4,84 м;

Площадь крыла: 36,6 м2;

Масса пустого самолета: 10874 кг;

Максимальная взлетная масса: 17900 кг;

Масса топлива: 5550 кг;

Силовая установка: 2 × ТРДФ Р-13Ф-300

Максимальная скорость: 2230 км/ч;

Практическая дальность полета без дозаправки: 1380 км;

Практический потолок: 18500 м;

Нагрузка на крыло (при нормальной взлетной массе): 397 кг/м2;

Длина разбега: 1000 м

Боевая нагрузка (максимальная): 45000 кг