Su-15TM 原型机，可以看到雷达罩外型的改变
1972 年 4 月 17 日“B”阶段开始。03-02 和 03-03 进行基本飞行试验，而试验飞机 0006 和 01-05 现在用于专门计划。头两架飞机上装有科学生产联合公司生产的系列机载雷达。该企业“旋风”型机载雷达生产过程中，培养了一批富有经验的专家们，比“台风”机载雷达的设计人员更能确保仪器设备的高质量。新西伯利亚厂的安装专家们成功地敷设了故障率极低的机载雷达电缆网。
国家试验的“B”阶段于 1973 年 4 月结束。为了完成这个阶段的试验，还使用了一架系列 Su-15TM 序号 03-04。5 架飞机总共进行了 256 次飞行。其中：143 次（92 次验证飞行）按“B”阶段计划进行，103 次飞行按项目计划进行，10 次演练飞行。在国家试验过程中，为了改进导弹，发射了 46 枚 R-98M，其中 36 枚为测试发射。用作靶机的有 La-17M、MiG-17M、IL-28M 和 Tu-16M，其中配有各种的主动干扰和被动干扰装置以及 RM-8、PRM-1 降落伞靶标和 KRM 高速导弹靶机。3 个靶机（MiG-17M、IL-28M 和 La-17M）被直接命中，两个靶机（IL-28M 和 La-17M）因重要零件被击毁而坠落。
从 1971 年起在新西伯利亚开始生产 Su-15TM，第一架量产型飞机序号为 03-02 于 10 月完成。1972 年春，第一批截击机被转交部队。生产持续到 1975 年年底。工厂同时还生产战斗/轰炸机 Su-24。所以 Su-15TM 的生产速度没有 Su-15 那么高，年产量没有超过 110 架。
Su-15TM，挂载 R-98MR 红外制导空空导弹与 R-98MT 雷达制导空空导弹
按照国家综合试验的结果必须解决的重要问题之一是消除机载雷达屏幕的“伴生亮斑”。开始并不清楚原因何在，根据曾遇到过这种现象的地面防空雷达操作兵的建议，可能是由于雷达罩的材料不能完全对雷达波透明，由雷达回波造成的，试验了新型的机头介质整流罩。1972 年 6 月，设计局在序号 13-40 的 Su-15 上改进后，这种罩就安装在了 Su-15TM 序号 03-02 和 03-03 上。实验结果很好，屏幕的“伴生亮斑”消失了，但由于气动外形的改变，造成升限和的巡航飞行高度降低了，超声速截击距离和截击线缩短了。1973 年秋，经空军科研所检查试验后，飞机正式装上了新的机头整流罩。
Su-15TM 的“台风”-M 机载雷达
国家综合试验开始后，改进 Su-15TM 上武器的工作曾被推迟过。1974 年恢复了这项工作。到 8 月份，Su-15TM 序号 10-07 得到了改进，装上了 4 个 BD3-57M 挂架。为使用指定的武器，进一步完善了电力系统并在 K-10T 瞄准器上安装了旋转装置，它可以在有限的界限内改变其倾斜度。就此进行的国家综合试验分两个阶段：第一阶段从 1974 年 10 月到 1975 年 5 月，试验轰炸系统；第二阶段从 1975 年 6 月到 12 月，试验航炮系统和导弹系统。试验进行得很顺利。采用新的 R-25-300 发动机，提高了 Su-15TM 的性能，其中包括可以使被低空截击的目标的速度范围达到战术技术要求所提出的水平。这样的变体在设计局获得了 T-58Bis（Su-15Bis）的编号。
Su-15TM 的座舱
许多人参与了 Su-15TM 的试飞、测试工作，瓦列里·瓦西里耶维奇是前苏联空军的一位优秀飞行员，他也参与了试飞 Su-15TM 截击机的工作，他在回忆中讲到了这样一件事情：
1973 年早春，在阿赫图宾斯克。一个晴朗无云的寒冷的一天。飞机场严阵以待，准备进行拦截图-16M 靶机的战斗任务。当时所有进行试飞的各种型号的截击机都参与了，携带半吨导弹的远程图-128、米格-25P、米格-23M、雅克-28P。但其中的主要角色是苏-15TM，它面临着确认“全能”截击机名声的任务。总共有 8 架参试的截击机和 10 多架引导截击机接近靶机的领航机参加了行动。试验使用遥测导弹进行射击，这些导弹可以向地面发射各种信息，用来代替向地面传送飞行数据的仪器，这样可以获得更高的精确性。而这种导弹只有直接命中才能击落靶机。但所有“行动”的参与者都希望，在自己进入“拦截”之前这种事情不要发生。每一位参试者力图作好自己的那部分任务，以向导弹的制造厂家提供必不可少的宝贵资料。在参试截击机中最后面是一架图-128。在这架飞机上，除了 3 枚遥测导弹外，还挂载了 1 枚实弹，准备最后齐射向目标（实弹可以保证导弹即使没有直接命中靶机，只要在其有效杀伤半径内也能将靶机击落）。
苏军前线机场的 Su-15TM
参试截击机的“拦截”方式是“轮番攻击”，就是说一架飞机拦截，其它飞机排队等侯。第一架苏-15TM 起飞，它是由在我们的集体中惟一的大尉瓦连拉·莫斯托沃伊驾驶的。他刚从契尔尼戈夫高等空军飞行员学校转来，在那里是教官，他声称自己是位有前途的试飞员。我要飞的是第二架苏-15TM，中间还有其他型号的截击/歼击机，而我的飞机在“队列”中几乎排在最后，在莫斯托沃伊起飞 3 小时后才能起飞。我希望，轮到我的时候能遇到靶机没有被击落的情况，虽然事实上并没有这样，但还是怀有一丝希望：所有人都没有命中，而我命中了。于是，飞行员各个都带着强烈的激情准备着朝目标飞去……
挂载 R-98MR 与 R-98MT 导弹，以及 UPK-23-250 航炮吊舱的 Su-15MT
此时，瓦连拉·莫斯托沃伊站在跑道前的停机坪上，等待着地面指挥将靶机带到攻击航线上。此时能见度很好，我们从座舱可以看到导弹发射的全过程。因为到射击区小于 100 千米，而在 10,000 米高度疾行的目标就像在银幕上投射的倒影一样可以看到。塔台终于让瓦连拉起飞了，而我们所有人想成为他此次飞行的参与者，我们看到靶机朝攻击航线飞去。苏-15TM 起飞后不久就不见了。它朝图-16 迎面飞去，而后其倒影也没有了。接着传来莫斯托沃伊的暗语报告：“规程 1”——发现目标，“规程 2”——目标捕获（自动跟踪），“规程 3”——锁定目标，“规程 4”——可以发射，“注意！”——马上发射，然后按下发射按钮，此时，导弹已经发射的信号音响了起来，导弹从挂架上落下后，飞行员能清楚地感到飞机重量减轻后的弹越。接下来发生了一件不可思议的但无可争议的事情。导弹毫无偏差的击中了靶机，“轰炸机”开始往下散落。这时头盔耳机里传来机场指挥的口令：“一切终止”……我们以难以掩饰的懊丧，从坐在座舱里面的待命状态离开。瓦连拉·莫斯托沃伊驾驶的苏-15TM 降落了，走出座舱的瓦连拉眼里放出快乐的光芒，但表面上他还是表现得很平静，稳重地接受祝贺。这一天，是一个苏霍伊设计局和导弹制造工厂的节日，他们的飞机与导弹完美的结合，体现出难以言状的强大战斗力。就此，试飞苏-15TM 主要阶段结束了，它获得了满意的“结果”——苏-15TM 的出色能力被确认。在飞行以后的评论中，试飞部门的领导人 V.I.彼得罗夫（现在是空军少将、苏联英雄）简短地分析了军事行动的组织工作并听取了“惟一”一位参试者的报告。