R-11F-300
R-13-300
根据航空工业部 1965 年 5 月 20 日的命令，要在新西伯利亚建造 3 架新型试验飞机，工厂代号为 U-58，拟于 1967 年第二季度送交国家综合试验。1965 年，设计局进行了双座教练/战斗机的设计工作。双座型是用于教学和训练的，所以准备安装全套设备，确保飞行技术性能。与单座机相比，双座机的结构变化包括：为飞行教练员安排第二座舱加长机身 450 毫米，缩小前部燃料箱，使用新的、操纵连在一起的和双套仪器的双座座舱，修改一系列系统。为了确保教练员在起降时的视野，在第二座舱上方座舱盖开启部分装配伸缩自如的潜望镜。为了加快工程进度，设计局建议把工程分成两个阶段：第一阶段建造一架不带雷达和其他一系列系统的教练机，第二阶段完成一架完全合乎要求的教练/战斗机。教练机得到的编号是 Su-15UT（工厂代号 U-58T），机上装有 Su-15 的全套导航和通信设备，外加机内通话装置和磁性录音机。1969 年在新西伯利亚开始生产 Su-15UT 教练机。双座型序号 01-01 于 10 月完成，12 月 10 日工厂试飞机组人员驾驶该机完成了第一次飞行。Su-15UT 的生产持续到 1972 年年底。部分双座型送到了斯塔夫罗波尔对空防御飞行员高等军事航空学校。而功能更加完善的教练/战斗机 Su-15UB 的情况糟得多。由于设备供应拖延，原型飞机 U-58B 于 1970 年 5 月才在新西伯利亚完成，而工厂试飞员于 6 月 24 日才完成该机的第一次飞行。
U-58T 原型机
U-58B 双座座舱特写
Combatzone
Su-15 现代化改装
Su-15 的性能不是所有方面都符合军方要求的。飞机现代化计划的任务就是要改善存在的问题。在当时的一些文件中，改进了的飞机名为“第二代 Su-15”。提出制造这种飞机的还是 1965 年 4 月 30 日的政府决议。1966 年中旬出台了动工文件，内容是为飞机装备“鹰”机载雷达、SAU-58（自动控制系统）、RSBN-5S“火星”（近距离无线电导航系统）、新的无线电台和滑雪起落架。
苏联国土防空军 Su-15TM 进行夜间训练
1968 年 3 月决定把“鹰”机载雷达换为“台风”雷达。现代化改装分为两个阶段：第一阶段，飞机连同系列导弹 R-98 于 1968 年 11 月提交国家综合试验；第二阶段，1969 年第三季度，飞机连同已改进了的 R-98M 提交国家综合试验。后来这两种飞机分别获得编号 Su-15T 和 Su-15TM。设计局又认真地修订了上述文件。1968 年 9 月初完成了 Su-15T 的设计草图，10 月进行了答辩。飞机上拟安装 R-13-300 发动机，以及完善电力和液压系统。第二阶段的 Su-15 上同时安装了新的 R-832M 无线电台、无线馈电系统等。1969 年 1 月 4 日清晨，改进了的飞机运到了试飞和后加工基地。
国家试验委员会主席是防空军司令斯梅塔宁上将。空军科研所试飞小组由拉扎列夫领导，成员是研究所飞行员拉夫连季耶夫、科尔科夫、彼得罗夫和米高扬，还有设计局的克列切托夫。国家试验分“A”和“B”两个阶段。这两个阶段应在 1970 年第一季度完成。
与 Su-15 不同，Su-15T 的国家试验进行了很长时间。国家试验的基本目的是评估装有新机载雷达的截击机的战斗性能。这似乎不该引起很大麻烦，因为机载雷达看起来已完全作了改进，而且装同一类型机载雷达的飞机已经进入实用阶段。但实际上情况恰恰相反：延长试验时间的原因正是由于“台风”机载雷达的可靠性太低。
1969 年年底之前，国家综合试验完成了 64 次飞行，其中只有 40 次合格。为了不中断飞机投入批量生产的计划，决定拿出所谓的“初步结论”，1970 年 2 月第一阶段计划就草草了结了。试验结果记录确认，87 次飞行中仅 63 次是按批准的计划完成的，其余 20 多次都是为了改进“台风”机载雷达和自动控制系统的非计划飞行。当主要系统都达到了可正常工作的状态，飞机才准备进行第二阶段试验。
Su-15T 原型机
1969 年 12 月，系列 Su-15 序号 01-05 改装成了第二架原型飞机。它用于 Su-15TM 的国家试验，实际上安装了全套系统和设备，包括发动机 R-13-300 和“台风”-M 机载雷达。1970 年 4 月 7 日，克列切托夫才驾驶该机升空，4 天后该机运到了弗拉基米罗夫卡。1971 年 1 月 25 日，在空军科研所开始对系列 Su-15T 序号序号 02-05 和 01-01 进行检验试验。第一架飞行了 23 次，第二架只飞行了 3 次。以评估武器系统工作能力为基本目的的试验是在极短的时间（总共 1 个月）内进行的。试验结果并不好，飞机没有经受住试验，首先是没有确保截击低空目标。在大约 500 米高度的 5 次验证截击中只有 2 次在很近距离（约 3,000 米）时才发现目标。这种情况无论如何也不能令军方满意。结果是 Su-15T 交给定货单位的时间拖延了 1 年多，期间对已发现的缺陷逐个予以改善。这些飞机于 1972 年夏才投产。
Su-15TM 的试验由空军科研所试飞员小组进行。按国家试验计划，序号 01-05 飞机于 1970 年 9 月开始飞行。“A”阶段一点也不紧张，总共进行了 40 次考查飞行，其主要任务是确认飞机主要系统的工作能力。但试飞工作进行得很慢，1970 年年底之前仅完成了 6 次考查飞行。1971 年 2 月 3 日，飞机 0006 装了“台风”-M 机载雷达之后加入了试验。1971 年第一季度序号 01-05 完成了 30 次飞行，而 0006 只完成了 12 次，其中按国家试验计划进行的只有 3 次。记录表明，序号 0006 和序号 01-05、03-02 和 03-03 飞机完成了 289 次飞行。战术技术课题中提出的几乎所有基本指标都得到了证实。新飞机的优点中飞行员注意到，与最初 Su-15 相比，新飞机大大提高了战斗潜力；由于采用了自动控制系统和近距离无线电导航系统，新飞机操纵容易、导航简单、着陆方便。