苏-15T 原型机
1969 年 12 月，系列 苏-15 序号 01-05 改装成了第二架原型飞机。它用于 苏-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 苏-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 苏-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。
苏-15TM 原型机
苏-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 苏-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。
苏-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 苏-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 拉-17M、米格-17M、伊尔-28M 和 图-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（米格-17M、伊尔-28M 和 拉-17M）被直接命中，两个靶机（伊尔-28M 和 拉-17M）因重要零件被击毁而坠落。
苏-15TM 生产型
从 1971 年起在新西伯利亚开始生产 苏-15TM，第一架生产型飞机序号为 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 苏-24。所以 苏-15TM 的生产速度没有 苏-15 那么高，年产量没有超过 110 架。
苏-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 苏-15 上改进后，这种罩就安装在了 苏-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。
苏-15TM 的“台风”-M 机载雷达
国家综合试验开始后，改进 苏-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，苏-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 苏-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（苏-15Bis）的编号。
苏-15TM 的座舱
许多人参与了 苏-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 苏-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）。