Nhận thấy những hạn chế của Su-9 và Su-11 trước đó, OKB Sukhoi đã nhanh chóng bắt đầu phát triển một loại máy bay chiến đấu mới có khả năng hoạt động và trọng tải tốt hơn. Một số máy bay phát triển được đưa ra, bao gồm T-49, nó có cùng thân với Su-9 (gồm cả có động cơ đơn), nhưng lối vào không khí lại được chuyển sang 2 bên thân, tạo một khoảng trống cho loại radar 'Oriol-D' (Eagle - Đại bàng), và mẫu T-5, thực chất là Su-11 sửa đổi lớn với thân máy bay mở rộng và có 2 động cơ Tumansky R-11.

Sau những mẫu đưa ra, người ta đã kết hợp cả hai mẫu trên và một mẫu máy bay mới có tên gọi là T-58 đã được chế tạo, nó có 2 động cơ và mũi của T-49, nhưng những khe nạp khí được đưa về sau xuống phía dưới hơn nữa, đằng sau buồng lái. T-58 được tán thành sản xuất vào 5 tháng 2-1962, với tên gọi là Su-15, và mẫu đầu tiên bay vào 30 tháng 5-1962. Nó bắt đầu phục vụ thử nghiệm vào 5 tháng 8-1963, nhưng công việc trang bị đã bị chậm trễ do các bất đồng chính trị với OKB Yakovlev về khả năng dây chuyền sản xuất của nhà máy ở Novosibirsk, mà chính xác là việc đang chế tạo Yakovlev Yak-28P. Su-15 tỏ ra vượt trội trong các bài thử nghiệm tầm bay, Su-15 tỏ ra vượt trội trong các bài thử nghiệm, vì vậy nó chính thức hoạt động trong các đơn vị vào 3 tháng 4-1965. Việc sản xuất hàng loạt bắt đầu trong năm đó, và bắt đầu phục vụ trong Quân chủng Phòng không Xô Viết vào năm 1967, thay thế cho Su-9, Su-11, và Yakovlev Yak-25. Su-15 được NATO gọi là 'Flagon-A'. Một phiên bản huấn luyện đơn giản, Su-15UT (NATO 'Flagon-C'), không trang bị radar, bắt đầu phục vụ vào năm 1970.

Ban đầu Su-15 được lắp cánh tam giác, nhưng nó lại khiến cho việc cất cánh và hạ cánh không được tốt, và Sukhoi điều tra nghiên cứu thiết kế một loại cánh mới với đầu mút mở rộng (diện tích cánh được tăng dần) và điều khiển lớp ranh giới, cánh không hẳn là một hình tam giác mà một cạnh của nó hơi cong. Su-15 với cánh mới được sản xuất vào năm 1969. Nó có tên là 'Flagon-D' bởi NATO, dù tên gọi ở Liên Xô vẫn không thay đổi.

Cũng trong năm 1969, bắt đầu thử nghiệm phiên bản nâng cấp Su-15T với radar Volkov Taifun (typhoon - bão lớn). Taifun tỏ ra khá khó chịu, tuy nhiên, sau đó việc sản xuất đã bị ngừng lại chỉ với 10 chiếc được sản xuất. Sau đó là mẫu Su-15TM (NATO 'Flagon-E'), xuất hiện vào tháng 12-1971, với radar Taifun-M cải tiến và trang bị pháo Gryazev-Shipunov GSh-23L hoặc tên lửa không đối không tầm ngắn Molniya R-60. Hình dáng khí động học đã bắt buộc các kỹ sư phải thiết kế lại mái che radar với một hình cung nhọn, được NATO gọi tên là 'Flagon-F', dù tên gọi ở Liên Xô không đổi. Phiên bản cuối cùng Su-15UM (NATO 'Flagon-G'), xuất hiện năm 1976, ngừng chế tạo vào năm 1979.

OKB đề nghị vài sự nâng cấp khác cho Su-15, với động cơ và hình dạng khí động học tốt hơn, nhưng những đề nghị này đã bị loại bỏ vì lúc đó người ta đang tập trung cho máy bay đánh chặn mới MiG-23.