Vai trò đặt ra cho F-15E làm cho nó thay đổi khá nhiều so với F-15, vốn được thiết kế để làm máy bay tiêm kích chiếm ưu thế trên không theo châm ngôn "không một cân nào cho đối đất". Dù sao khung máy bay cũng chứng tỏ là linh hoạt đủ để tạo ra một máy bay chiến đấu tấn công đầy tiềm năng. Dù được thiết kế để tấn công mặt đất, nó vẫn giữ lại nhiều tính năng đối không chết người của F-15, và có thể tự bảo vệ chống lại máy bay đối phương.

Nguyên mẫu F-15E là một sự cải tiến dựa trên phiên bản 2 chỗ ngồi F-15B, bao gồm những thay đổi đáng kể về cấu trúc và động cơ mạnh hơn. Ghế sau được trang bị cho Sĩ quan Hệ thống Vũ khí (WSO: weapon systems officer, phát âm tựa như "wizzo"), đôi khi còn gọi là "tên đàng sau" "guy in back" (GIB), để làm việc với những hệ thống radar mới. Sĩ quan WSO sử dụng nhiều màn hình để hiển thị thông tin từ radar, các hệ thống chiến tranh điện tử hay cảm biến hồng ngoại, theo dõi tình trạng máy bay và vũ khí, các mối đe dọa tiềm năng, chọn lựa mục tiêu, và sử dụng bản đồ điện tử di động để dẫn đường. Hai tay điều hiển được dùng để chọn các màn hình và chi tiết hóa thông tin về mực tiêu. Hiển thị có thể chuyển từ màn hình này sang màn hình khác, dùng một "menu" của các tùy chọn màn hình. Không như các kiểu máy bay 2 chỗ trước đó (như F-14 Tomcat và F-4 Phantom II), mà chỗ ngồi sau không có các điều khiển bay, ghế sau của F-15E được trang bị cần lái và cần ga nên sĩ quan WSO có thể chuyển qua lái nếu cần, dù với tầm nhìn hạn chế.

Để gia tăng tầm bay, F-15E được gắn thêm 2 thùng nhiên liệu thích ứng (CFT: conformal fuel tank) áp dưới thân, tạo ra ít lực cản hơn so với loại thùng đeo dưới cánh thông thường. Nó có thể chứa 2.800 L (750 U.S. gallons) nhiên liệu, và có 6 giá treo gắn vũ khí bố trí thành 2 hàng. Tuy nhiên, không như thùng nhiên liệu phụ thông thường, CFT không thể bỏ rơi, do đó tầm bay xa hơn phải đánh đổi bằng tính năng bay kém hơn do gia tăng lực cản và trọng lượng. Kiểu thùng tượng tự có thể gắn trên F-15C, tuy nhiên việc đánh đổi tính năng bay cho tầm bay xa thường không có giá trị cho loại máy bay tiêm kích chiếm ưu thế trên không.

Hệ thống Chiến tranh Điện Tử Chiến thuật (TEWS:tactical electronic warfare system) của Strike Eagle tích hợp tất cả hô thống phòng vệ trên máy bay: radar tiếp nhận cảnh báo (RWR), radar gây nhiễu, radar, và bộ phóng pháo sáng được nối kết với TEWS nhằm cung cấp sự bảo vệ toàn diện chống lại sự phát hiện và theo dõi.

Một hệ thống dẫn đường quán tính dùng con quay laser liên tục theo dõi vị trí của máy bay và cung cấp thông tin đến máy tính trung tâm và các hệ thống khác, bao gồm bản đồ kỹ thuật số di động cho cả hai ghế lái.

Hệ thống radar APG-70 cho phép đội bay phát hiện các mục tiêu trên mặt đất từ khoảng cách xa. Một đặc điểm của hệ thống này là: sau khi quét 1 mục tiêu dưới đất, đội bay bắt chết bản đồ mặt đất rồi chuyển qua chế độ đối không để dò các nguy cơ trên không. Trong khi khai hỏa vũ khí đối không, phi công có thể phát hiện, ngắm và tiêu diệt mục tiêu trên không trong khi sĩ quan WSO xác định mục tiêu mặt đất.

Hệ thống LANTIRN (low-altitude navigation and targeting infrared for night: dẫn đường bay thấp, bay đêm và dò mục tiêu bằng hồng ngoại) cho phép máy bay bay ở cao độ thấp, bay đêm và bay trong mọi điều kiện thời tiết, tấn công mục tiêu mặt đất bằng nhiều loại vũ khí thông thường hay dẫn đường chính xác. Hệ thống LANTIRN cho phép F-15E tấn công chính xác cả ngày, đêm và trong mọi điều kiện thời tiết, bao gồm 2 cụm gắn bên ngoài máy bay:

• Cụm dẫn đường chứa radar dò địa hình, cho phép phi công bay an toàn ở độ cao rất thấp khi tuân theo những chỉ dẫn hiện trên hệ thống hiển thị thông tin trước mặt. Hệ thống này còn có thể nối với hệ thống lái tự động để có thể tự động bay theo địa hình không cần lái.
• Cụm dò tìm mục tiêu chứa bộ định vị laser và hệ thống dò có thể đánh dấu một mục tiêu đối phương cách xa đến 16 km (10 mi). Khi bắt đầu dò thấy, thông tin về mục tiêu được tự động chuyển cho tên lửa đối đất dẫn đường bằng hồng ngoại hay bom dẫn đường bằng laser. Vào ban đêm, hình ảnh video từ LANTIRN được chiếu lên hệ thống hiển thị thông tin trước mặt, cho một hình ảnh tương đương như nhìn được vào ban ngày.

Trong các phi vụ tấn công mặt đất, F-15E có thể mang hầu hết các vũ khí đang có của Không quân Hoa Kỳ. Nó cũng mang được tên lửa đối không AIM-9 Sidewinder, AIM-7 Sparrow và AIM-120 AMRAAM. Giống như F-15, Strike Eagle được trang bị pháo 20 mm General Electric M61A1 gắn trong.