Разработка самолета Су-15 началась весной 1960 года, в рамках модернизации исходного перехватчика Су-11, оснащался  двигателем типа АЛ-7Ф-2, Самолету приданы возможности перехвата целей в широком диапазоне высот и скоростей полета, в т.ч. на встречных курсах (в переднюю полусферу цели).
Применялась автоматизации всех основных этапов перехвата, на самолете  устанавливалась система автоматического управления. В связи с требованиями по повышению надежности самолета, перешли к схеме с двумя двигателями типа Р-11Ф-300.
В результате, Су-15 приобрел законченный вид классического сверхзвукового истребителя 2-го поколения реактивных самолетов.