苏军前线机场的 苏-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 苏-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。
双座型 苏-15UM
随着 苏-15TM 的投产，军方希望在此基础上获得双座型 苏-15UM。1974 年年底，苏霍伊设计局开始设计这种取得了工厂代号为 U-58TM 的飞机。次年春，新西伯利亚收到了用于生产飞机的整套技术文件。根据航空工业部 1975 年 7 月 16 日的命令，设计局正式接受了这项任务。
苏-15UM 原型机
飞机的结构是在后几个系列 苏-15TM 的基础上设计完成的。为了消除飞机降落中水平尾翼效率不足的问题，决定在双座型 苏-15UM 上安装增加了面积的水平尾翼。如同 苏-15UT 的情况一样，新的双座型上没有装备截击机的全套设备，许多系统都没有，包括“台风”-M 机载雷达、SAU-58 自动控制系统、“碧空”-M 等。但军方要求这种飞机能完成某些战斗训练，即它应成为教练/战斗机。在没有机载雷达的情况下，使用红外制导导弹可以达到这一目的，所以 U-58TM 上装备了供 R-98T 和 R-60 导弹使用的武器系统。另外，规定在机身下悬挂两个 UPK-23-250 机炮吊舱。
飞机于 1976 年 4 月初完成，23 日工厂飞行员完成了第一次飞行。4 月 28 日“按正常程序”被转移到设计局飞行试验和后加工基地。5 月份试飞员进行了 13 次飞行，尔后被转移到弗拉基米罗夫卡。6 月 23 日到 11 月 25 日，飞行员们对飞机进行了很干练的国家综合试验，共飞行了 72 次。结果被推荐采用。1977 年国防部发布命令予以确认。正式编号为 苏-15UM。
1983 年 9 月 1 日击落 KAL007 航班的 苏-15TM，飞行员 G. N. Osipovitch
试验型及未实现的方案
现在简要地提一提用作飞行试验平台的 苏-15。从 1969 年起，以 苏-15 为基础建立起来的飞行试验平台在飞行研究所进行试验。起初，飞机用来获取目标、偶极子反射器和下表面雷达信号反映的特性。后来这个飞行试验平台改为研究偶极子反射器的投放装置。据已公布的材料，该飞机 20 世纪 70 年代实际上试验了一切现有本国的投放装置和所有使用的伪装目标。苏-15 系列进行了一连串试验性工作，目的是为设计局研制的其他飞机试验各种系统和设备。
1972~1976 年，为了给 苏-24 进行改装，苏霍伊设计局与飞行研究所和星星设计局联合进行了空中加油系统试验。为此，苏霍伊设计师们把 苏-15 序号 11-37 和 0001 变成了“空中加油机”，装备了悬挂式加油设备。苏-15T 序号 02-06 装置了固定受油杆成了空中受油飞机。
苏-15 进行“伙伴”加油试验
1978 年，为了试验歼击机 T-10（后来的 苏-27）的导弹武器，苏-15T 序号 02-06 在飞行试验平台进行了改进。飞机获得的编号是 L-10-10。在得到专门改进的 苏-15 上进行了空气动力学、稳定性和操纵性方面的大量试验。