双三角机翼是 苏-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 苏-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 苏-15 已运送到部队。苏-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 苏-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，苏-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 苏-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 苏-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 苏-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 苏-15 飞机的生产速度最快，生产了 165 架。到 1971 年 苏-15 停止批量生产，又由 苏-15TM 取而代之。
苏-15 座舱白描图
T-58WD 短距起降试验型
1965 年 5 月 6 日，根据航空工业部的命令，苏霍伊设计局接到任务，制造一个飞行试验型号以检验短距起降的各种状态。飞机的编号被授予为 T-58WD，而该机的制造定在生产第一架试验飞机 苏-15 的地方。短距起降的 T-58WD 在发动机进气道之间安装 3 个 PD-36-35 升力发动机，呈 10 度角，推力各为 2,450 千克。在机身上部分别安置 2 个暴露的进气门：前面 1 扇遮盖 1 台发动机，后面 1 个遮盖 2 台发动机。在机身下部安装可操纵的鳍板，共有 2 个工作位置，以确保燃气流偏移。T-58WD 主体完成于 1965 年 12 月，此后开始在专门的厂房进行整合。
T-58WD 机身上部的进气门
1966 年 4 月 26 日，飞机转移到试飞和后加工基地。6 月，进行了开着升力发动机滑行和短暂空中飞行。7 月 6 日，主任飞行员索洛维约夫驾驶 T-58WD 完成了第一次飞行，但升力发动机没有运行。启动升力发动机进行试飞是在 7 月底开始的。年底之前进行了 37 次飞行，19 次滑行和短暂飞行。滑行是在土跑道上进行的。试飞后发现，在启动升力发动机的情况下起飞速度从每小时 315 千米减少到 285 千米，降落速度则从每小时 315 千米减少到 225 千米，起飞滑跑距离从 1,170 米缩减到 500 米，着陆滑跑距离则从 1,000 米缩减到 560 米。
T-58WD 机腹下升力发动机喷口打开
试验持续到 1967 年年底。升力发动机的燃气热气流对飞机各部件产生了不良影响，也不允许在机身下方悬挂有载荷。最重要的是，虽然起飞距离、起飞速度改善了，但降低了有效载荷和减少了燃料储量（至 3,970 公斤）。除了索洛维约夫，只有伊柳辛飞过 T-58WD，他于 1967 年 3 月驾驶该机完成了 3 次飞行。1968~1969 年，这个短起降试验平台不定期地升空飞行，后来长期停留在试飞和后加工基地，1976 年交给了莫斯科奥尔忠尼启则航空学院供教学用。但 T-58WD 在那里的时间也不长：1980 年它就分割成了金属废料。
T-58WD 短距起飞状态
T-58WD 侧面线图
T-58L 简易机场型
古巴危机期间，苏联于二战后第一次进行了军队大规模疏散演练，但结果清楚得让苏联人感到十分尴尬，空军在备用泥土机场上作业显得极度缺乏训练。这次难堪之后坚决要求军方永远确保所有战术飞机都能部署在修好了的泥土机场。
T-58L 起落架滑橇测试
在 苏-15 上进行的研究的结果是诞生了 T-58L。1964 年 4 月 1 日，军工联合体决定正式将此课题提了出来。该企业的专家们提出充分利用试验飞机 S-23、S-26 和 S-22-4（都是 苏-7 的试验型）上的滑雪起落架，作为野外或简易机场的标准装备，让所有战斗机都具备在恶劣条件机场起降的能力。因此，苏霍伊设计局也积极响应，苏霍伊的改造对象就是 苏-15。为了降低对泥土地的压力，设计师们决定用随时可拆装的滑雪板装备 苏-15 的起落架。为了使进气口免受外部物体打中，前起落架上拟装备专门的档板。到 1965 年夏天，第二架原型机被改装成了 T-58L，而且在这架飞机上没有“拉直蜂腰”，保留有最初的蜂腰设计，在 苏-15 一族中这一点是惟一的。1967 年年底之前，飞机在混凝土的和泥土的起飞着落跑道上进行了试验。设计局的飞行员伊柳辛、库库舍夫和索洛维约夫参与了飞行。在这些作业过程中飞机经受了各种土道上的考验，同时试验在颠簸环境下，机载雷达负载振动的程度。为了确定机轮挡板的最佳形状，还考察了泥土撒开的情况。库库舍夫驾驶 T-58L 的一次飞行差一点以悲剧而告结束。1967 年 9 月 8 日，前起落架支柱离地后飞机立刻发生了一点倾斜，水平尾翼的触及泥土。水平尾翼的末端部分受到了损伤，好在没有造成机毁人亡。飞机修好后为了不再发生类似事故，水平尾翼的平面上安装的防颤配重棒变成了有 15 度的翘起形状，这就是许多飞机爱好者搞不明白这个问题的由来。不久后，T-58L 又开始恢复了试验飞行。