F-15 还在绘图板上时美国空军就开始了采购，此时甚至还没制造出一架原型机，也缺乏其他厂商的竞争。这引起了相当大的争议，许多媒体担心再一次出现预算超支。在面对国会和媒体对该项目可能会出现 C-5A“银河”和 F-111 项目那样的超支和拖延的质疑时，美国空军引入了项目里程碑制度，只有在验收合格后，承包商才会收到下一阶段的资金。以 F-15 为例，项目里程碑从 1970 年 9 月的初步设计审查一直持续到 1974 年 11 月首架飞机交付空军试飞。
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F-15 是大型双发战斗机，采用固定式上单翼，双垂尾布局，空重低于 F-4“鬼怪”，发动机推力又高出许多，爬升性能惊人。
F-15 全长 17.75 米，机身为传统的半硬壳结构，采用中央机身和两侧尾撑布局。F-15 的机身结构重量的 25.8% 为钛合金，发动机舱和机翼内侧的部位大量使用钛合金。三个主翼梁和与之连接的壁板、以及发动机舱都是钛合金结构，前主翼梁后的机身采用钛合金蒙皮，发动机舱两侧用于承载平尾和垂尾的悬臂式尾撑也是钛合金结构，平尾接头和垂尾翼梁同样是钛合金。两台发动机间采用钛合金防火墙，避免一台发动机起火后波及另一台。
飞机结构的核心是横跨机身中段的 4 个主隔框，每个隔框两侧都开有进气道的开孔，末端形成了机翼的主连接点，后三个隔框与三个翼梁连接，前一个格框与前缘组件连接。后机身的切削钛合金隔框保持了结构的整体性并提供了发动机的安装点。
机翼翼梁和进气口中间的机身内安装有 8 个独立的油箱，总容积 6,776 升，机身中线挂架和两侧翼下挂架还可以挂载 3 个 2,271 升副油箱。
该机配备有三套独立的液压系统，可自检测并隔离泄露的子系统，每套液压系统都能独立操纵飞行。两套 40/50 KVA AC 发电系统都可独立运行。
该机还安装有一套灭火系统，F-15 是少数安装该系统的战斗机，包括一个安装在发动机防火墙间的一个非腐蚀性阻燃剂压力罐，上有三个喷嘴可将灭火剂喷向发动机和发动机之间的空间。
主起落架收入机身，主起落架向前收同时旋转 90 度，机轮平放入机腹下的轮舱，轮距较窄，只有 2.74 米，但如果改成类似于 F/A-18 那样的外八字起落架的话，又会增加可观的重量。在横风降落时窄轮距会导致安全性问题，迎风一侧的机翼容易上扬，而为纠正姿态飞机需要向横风一侧偏转以偏移姿态着陆，窄轮距主起落架在接地时易造成飞机侧翻。前起落架向前收入前机身下方的轮舱中，前轮可自主做左右 15 度的转向。发动机尾喷管之间的尾部安装有可收放机场拦阻钩，在降落时刹车失灵的情况下进行紧急制动。
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F-15A 采用了大型悬臂式上单翼，前缘后掠角 45 度。翼面积 56.49 平方米，翼载较低实现了较好的机动性能。机翼没有安装角，有一度的下反角以降低滚转面的稳定性，机翼为三翼梁多隔舱加强蒙皮结构。与其他现代战斗机相比，F-15A 仅在机翼后缘安装了传统的外侧副翼和襟翼，除此之外没有其他控制面，特别是没有扰流板和前缘增升装置。该机的机翼面积足够大，并被虐称为“飞行的网球场”，所以不需要采用开缝或吹气之类的增升措施就能达到较低的起降速度。麦道设计团队最终否决的了安装前后缘襟翼的变弯度机翼，而采用外形复杂的固定锥形扭转前缘，仅增加少许超音速阻力，降低一点亚音速性能，但却大大简化了生产、降低了重量并易于维护。
