F100-PW-100 发动机
发动机是 F-15 的另一个关键。普拉特.惠特尼研制的 F100-PW-100 发动机加力推力高达 11,340 公斤，为 F-15 的优越性能提供了坚实的基础。这是一种轴流式涡扇发动机，涵道比 0.7，双轴 3 级风扇+10 级高压压气机+2 级涡轮。该发动机设计相当先进，推重比 7.8，可以左右互换安装，在理想条件下拆卸时间只需要 20 分钟。但普.惠在设计时过于注重先进性而没有过多考虑可靠性，结果 F100-PW-100 问题层出不穷，F-15 早期因频频趴窝而被称为“机库皇后”，相当程度上是发动机的原因。
正在吊装发动机的 F-15
F-15 的发动机喷管选择也是经过优化对比的结果。当时一共提出了四种方案，包括：非轴对称喷管；简单收敛喷管；膨胀比 1.41 的收敛-扩散喷管和膨胀比 1.61 的收敛-扩散喷管。非轴对称虽然巡航阻力最低，但综合性能不好，风险大，首先被淘汰。剩下三种方案性能相近，但在典型作战任务剖面性能比较中：膨胀比 1.61 的收敛-扩散喷管由于超音速单位重量剩余功率（Ps）明显超出要求而占据优势，而其亚音速的 Ps 和膨胀比 1.41 的收敛-扩散喷管相近，优于简单收敛喷管。由于膨胀比 1.6 的收敛-扩散喷管占据明显优势，F-15 最终采用了这一方案。不过，其结构和最早在 F-14 上应用的光圈式收敛-扩散喷口不同，为铰接鱼鳞板式结构。
F-14 和F-15 的尾喷管对比
飞控系统
为配合高机动性设计，F-15 采用了双余度、高权限模拟式控制增稳系统（CAS）——实际上是第一代电传飞控系统，外加一套机械备份。飞行员的控制指令首先发送到 CAS，由计算机进行处理后以最佳方式输出到各控制面和发动机，从而保证飞机在飞行包线内飞行，而不必担心失控。
事实上，F-15 能获得优异的机动性能，主要原因就在于它的低翼载和高推重比。F-15A 在空优构型起飞重量下，其推重比达到 1.07，而翼载仅有 358 公斤/平方米。这些参数远优于当时的典型战斗机，但并非偶然——这事实上是约翰.伯伊德创立的“能量机动理论”首次用于指导飞机设计的实践，从而使战斗机设计进入了一个全新的时代。不过需要说明的是，在 F-15 的设计过程中，能量机动理论只用于作大方向的设计指导，并未用于具体参数计算。真正完全用能量机动理论设计出来的飞机，则是战斗机黑手党的宠儿，通用电气的 F-16。
航电设备
为了赢得空战，飞行员必须先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。因此，航电设备至关重要。F-15 装备了大型脉冲多普勒（PD）雷达，以提供先敌发现的优势。战术电子战系统（TEWS）提供威胁告警信息。平显和双杆操纵系统（HOTAS）则大大减轻了飞行员搜索、跟踪、攻击目标时的操纵负担，并简化了操纵程序。
为 F-15A 设计的是 AN/APG-63 全天候多模式雷达系统。APG-63 雷达工作在 X 波段，探测距离远，具有下视下射能力。探测信息自动送往中央计算机，并和计算结果一起实时反馈给飞行员（通过平显和下显）。APG-63 具有多种对空工作模式，可以根据不同的搜索方式或选择的交战模式来选择不同的脉冲重复频率（PRF）：远程搜索，使用中/高 PRF，根据飞行员选择的搜索距离（18.5~296 公里）确定 PRF，以期获得较好的迎头和尾追搜索效果；速度搜索，使用高 PRF，专用于迎头高速接近的目标；近距搜索，使用中 PRF，用于格斗时为响尾蛇导弹和航炮提供数据，具有 16、32、64 公里三种探测范围，可以跟踪多个目标。作为以上三种模式的备份，APG-63 还有一种非 PD 模式，使用低 PRF，只能提供上视能力——因为非 PD 模式无法过滤地面杂波。此外，APG-63 还有多种提供特殊功能的模式，包括：信标模式，用于向空中飞机的敌我识别系统（IFF）发射询问信号；手动跟踪模式，作为自动跟踪模式的备份；被动模式，用于监测外部雷达辐射信号，同时自身只发送微弱脉冲，以尽可能减小自我暴露的可能性；地图测绘模式。
F-15 早期座舱
F-15E 前舱与 F-15E 后舱。随着时间推移，F-15 显示技术和界面日趋先进合理，更有利于飞行员掌握空/地战术态势，大大提高了作战效率
1973 年，APG-63 雷达投入使用。1979 年，该雷达装备了可编程信号处理器（PSP），这是 PSP 首次在机载雷达上应用。这使得系统通过软件编程就可以适应新的战术、使用模式以及武器系统，而无需进行大规模硬件改进。1986 年，APG-63 停产，共生产大约 1,000 台，装备所有 F-15A/B 型和早期 F-15C/D 型。但是 APG-63 并不完善。其平均维修间隔时间（MTBM）不到 15 小时。对该系统的航线可更换件（LRU）的技术支持日益困难。原因之一是很多部件采购困难，而采用新技术部件则往往要求重新设计系统而被迫放弃。另一方面，持续恶化的可靠性影响了飞机的部署。如果航空站没有二级维修能力，就无法对雷达故障提供技术支援。此外，由于设计时的局限，APG-63 事实上没有多余的处理能力和存储能力来升级软件，应付日益增大的威胁。为此，从 F-15C/D 后期型开始换装 APG-70 雷达。
F-15 平显投影影像
APG-63(V)1 则是针对 APG-63 缺点所做的重大改型，在可靠性和可维护性方面有了明显提高，以满足用户要求。作为美国空军雷达换装计划的一部分，APG-63(V)1 将取代 APG-63 装备 F-15C/D，以保证美国空军雷达方面的优势。(V)1 系统更换了发射机、接收机、数据处理器、低压电源和信号数据转换器。在系统能力增强的同时，可靠性提高了近 10 倍，MTBM 达到 120 小时。2001 年 3 月美国空军第 27 战斗机中队的 F-15 首批换装 APG-63(V)1 雷达，预计将有至少 170 架 F-15 接受升级改装。