Su-15 的首架原型机 T-58D-1
T-58 原型机具有蜂腰结构
T-58D-2
为了进行国家综合试验，政府指定了一个以防空军司令萨维茨基空军元帅为首的国家委员会。无奈的是，在正式军方文件中依然称新飞机为 Su-11M。1963 年 4 月，苏霍伊完成了第二架 T-58D-2 样机，该机配备了包括“勇士”-D58 机载雷达以及配套的武器系统。飞机的机头安装了非常独特的锥度为 28 度的整流罩。T-58D-2 研制的领头工程师是托尔钦斯基。5 月 4 日，试飞员伊柳辛根据试飞计划驾驶该机完成了第一次飞行，两个月后飞机运到空军科研所进行国家试验。从 1963 年 8 月 5 日起，在茹科夫斯基开始了国家综合试验飞行计划。由于当时苏联防空的形势紧迫，为了缩短国家试验期限，没有按照以往的那种非常繁杂而又费时的分阶段试飞方式。
“勇士”-D58 机载雷达
同时，苏霍伊设计局已完成了第三架样机 T-58D-3。结构上与前面讲到的飞机不同，它有一个附加的机身油箱，因此燃料系统总容量增加了 180 升（达到 6,585 升）；另外，它的垂直尾翼增加了面积。飞机设备中还有新增的 AP-46 自动驾驶仪。10 月 8 日和 11 日，第二架和第三架样机移到了弗拉基米罗夫卡空军科研所机场，以试验武器装备系统。
T-58D-3 原型机
1963 年年底，导弹研发部门研制了第一批样本导弹 R-8M1P，新的编号是 R-98。1964 年年初，这批导弹被运到弗拉基米罗夫卡，开始在 T-58D 上实弹打靶，打靶的科目是——攻击近距离降目标。在这些试验中多数武器系统的性能得到了考验并顺利过关，但唯一不足的就是导弹不能确保击中高速目标。原因是导弹上的无线电引信在高速接近目标时不能及时击发战斗部，当战斗部被击发时导弹却已经处在有效杀伤区以外。结果不得不承认，T-58D 上的空对空导弹向正面半球面目标发射时只能确保击中时速 1,200 千米以下的目标。
苏霍伊设计局发现了这些问题后，采用积极的姿态来消除暴露出来的缺陷。例如，为了使飞行距离更远，决定在机上增加燃料储备，结果，原来原型机上设计的“蜂腰”被拉直，从而扩大机内空间，安排下了一组机内油箱；为了提高横向操纵效果，扩大了副翼偏转角的范围，从 15 度扩大到 18.5 度；而为了提高发动机运转的稳定性，改变了进气口控制系统的调气板，减少了调气板动作时间，从 12 秒减至 5~6 秒。
1964 年 6 月 19 日萨维茨基元帅驾驶 T-58D-2 完成了两次飞行。国家试验于 6 月 25 日正式结束。飞行员的结论比较简洁：“T-58 飞机……能在昼夜和复杂的气象情况下截击中等以上高度的空中目标……飞机操作简单，有中级技能的飞行员即可掌握。”
1965 年 4 月 30 日，政府决定正式采用编号为 Su-15 的飞机并投入批量生产。机载雷达称 RP-15，导弹是 R-98，而整个截击武器系统代号是 Su-15-98。为要批量生产 Su-15，必须对系统作一系列重大改进。例如，应当提高副翼的效果，为此决定增加副翼的面积。为了缩短 Su-15 起飞滑跑距离，决定在起飞时放出襟翼，而在此之前飞行教官们所教授的，只是在降落时才放出襟翼。从生产的技术工艺来看，Su-15 并没有引起革命，因为它与早先生产的 Su-9 和 Su-11 有很多共同点，而就设备而言实际上完全与 Yak-28P 相似。第一架 Su-15（序号 00-01）的生产晚了几个月，到 1966 年 2 月 21 日才完成。4 月末飞机转移到茹科夫斯基的设计局试飞和后加工基地，7 月 21 日第二架 Su-15 序号 00-02 也转移到了那里。
Su-15-98 武器系统，翼下挂载 R-98（AA-3）红外制导导弹
从 1966 年下半年起，Su-15 逐渐进行规模生产。到当年年底已生产 17 架飞机。在批量生产的 Su-15 上，进行了机身结构的重新设计，这样一个是加强了结构强度，另外也增加了燃料系统容量，其容量达 6,860 升（5,600 千克），不包括副油箱。飞机上还安装了更符合气动要求的进气口 UPS（空气流场控制）系统和新的弹射座椅 KS-4。可是，当时 Su-15 上没有装上自动控制系统。问题在于研制自动控制系统对于苏霍伊设计局来说是第一次实际尝试。这项研制工作需要严肃认真的理论探索和实验，这就大大影响了完成研制工作的期限。虽然苏霍伊设计师们在这方面得到了 118 设计局的大力帮助，他们提供的自动控制系统在 T-58D-3 上进行的工厂试验也到 1965~1966 年期间才进行。国家试验于 1968 年才结束。试验表明，这个系统还需要认真改进才能使用，因此决定到飞机进一步现代化时再成批使用这个系统。结果是，在 Su-15 投产时估计到自动控制系统以后还是要在该机上安装的，所以给它预留了一个位置，因此即使 Su-11 和试验飞机 D-58 上装有的 AP-28 自动驾驶仪新飞机上也不会装它。开始，Su-15 飞机上的控制系统中甚至连防震颤装置也没有，而提高稳定性和操纵性的改进设备中只有一个 AP3-1 自动调节器。
双三角机翼是 Su-15 后期型的识别特征。新机翼翼面积更大，外侧后掠角减小到 45 度，形成所谓“双三角”。新机翼减小了起降速度和飞行时的诱导阻力。北约把更换机翼的 Su-15 叫做“细嘴瓶-D”。飞机还装备了 UPS 附面层控制系统和与 UPS 相配合的 R-11F2SU-300 发动机。UPS 系统从发动机压气机引流到表面副翼，使副翼能有更大的偏转角度——着陆 45 度，起飞 20 度。这样做会使压气机的气流压力供应不足，因此实际中偏转角度分别限制在 25 度和 15 度
KS-4 弹射座椅
1964~1966 年，苏霍伊设计局的协作企业研究如何提高“勇士”-8 机载雷达的反干扰能力，研究导弹雷达引信的灵敏度。这些工作也大大拖延了。因此，取得 RP-15M（“勇士”-D58M）的现代化机载雷达的联合试验 1967 年才结束，但是系列的 Su-15 已运送到部队。Su-15 飞机的生产速度逐渐加快：1967 年生产了 90 架，1968 年 150 架。飞机及其各个系统随着生产的进程而有所改进。结构变化最大的就是采用了双三角机翼。1969 年，从飞机序号 11-01 起的 Su-15 飞机上开始安装临界控制系统，而从序号 11-31 起，这些飞机上开始安装新的双三角机翼。从序号 11-36 起，飞机上安装了 R-13-300 发动机。从 11 批起，Su-15 飞机上还装备了飞行参数自动记录系统。这些飞机在工厂都经过了验收/交付试验，在试验过程中弄清楚了一个令人不快的事情：就飞机升限值而言，技术要求没有实现。于是发生了难以理解的事情，军方在新西伯利亚的验收暂时中止了飞机的交付。苏霍伊的副手、主管 Su-15 课题的伊万诺夫因此受到了警告。这批飞机的一部分被迅速运到了弗拉基米罗夫卡供监督试验。设计局的一个小组已到达那里。飞行证实了在新西伯利亚取得的结果。但无论是设计师还是军方都深知，再如何也不能为提高升限做什么了。所以双方决定签署了一个谅解文件，其中为改进了机翼的 Su-15 标出了新的参数，飞行最高度值：18,100 米，而不是以前要求的 18,500 米。1969 年 6 月 10 日~8 月 30 日，有两个新发动机的 Su-15 序号 02-01 再次进行了监督试验。性能达到了要求，但在试飞中发现截击 23,000 米高空、时速 1,400 千米的后半球目标的距离实际为 150 千米，比要求的少 25 千米。设计局的专家们找到了一个“蒙混过关”的解决方法：为了提高飞机起飞后加速度，要么增加发动机推力，要么减轻飞机重量。改进发动机是不可能的了，只有想办法减轻飞机重量，这样一个“馊主意”就诞生了：遇上这种情况，飞机不是象平时一样带两个副油箱，而是带一个副油箱飞行，如此才达到了 175 千米的截击距离。1969 年新西伯利亚厂 Su-15 飞机的生产速度最快，生产了 165 架。到 1971 年 Su-15 停止批量生产，又由 Su-15TM 取而代之。