Menyedari kekangan pada pesawat-pesawat terawal seperti Su-9 dan Su-11, Sukhoi OKB dengan pantas mula membangunkan pesawat lebih berupaya. Pelbagai pesawat pembangunan dibina secara beransur-ansur, termasuk T-49, yang berkongsi fiuslaj yang sama dengan Su-9 (termasuk enjin tunggalnya), tetapi memasang salur masuk udara di sisi bagi memberi ruang bagi menempatkan radom besar pada muncung pesawat untuk memasang radar 'Oriol-D' (Eagle), dan T-5, dengan mengubahsuai secara ketara pesawat Su-11 dengan melebarkan fiuslaj belakang yang menempatkan dua enjin Tumansky R-11.

Ini membawa pada pembinaan T-58, yang telah menggabungkan enjin berkembar dengan versi T-49 dengan mengubahsuai bahagian muncungnya, dan mengalih salur masuk udara sisi sedikit kebelakang, di belakang kokpit. Ia telah diluluskan untuk dikeluarkan pada 5 Februari 1962, dan dikenali sebagai Su-15. Prototaip pesawat ini telah membuat penerbangan sulung pada 30 Mei 1962. Ia telah melalui ujian perkhidmatan pada 5 Ogos 1963, akan tetapi kemasukannya dalam perkhidmatan mengalami kelewatan disebabkan perbalahan politik dengan Yakovlev OKB ke atas keupayaan baris pengeluaran di Novosibirsk, yang mana juga mengeluarkan pesawat Yakovlev Yak-28P. Su-15 terbukti lebih baik dalam segala aspek kecuali jarak, dan telah ditauliahkan secara rasminya pada 3 April 1965. Siri pengeluaran bermula pada tahun berikutnya, dan mula memasuki perkhidmatan dengan PVO pada 1967, bagi mengantikan Su-9, Su-11 dan Yakovlev Yak-25. Pesawat awal Su-15 telah mendapat nama pengenalan NATO 'Flagon-A.' Versi pesawat latihan rigkas, Su-15UT (NATO 'Flagon-C'), yang tidak memiliki radar atau keupayaan tempur, pula memasuki perkhidmatan pada 1970.

Pesawat sayap delta Su-15 versi awal memiliki ciri-ciri pelepasan dan pendaratan yang lemah, dan menyebabkan Sukhoi untuk mereka sayap baru dengan hujung sayap yang dipanjangkan (bagi meningkatkan luas sayap) dan sempadan kawalan lapisan. Su-15 dengan rekabentuk sayap baru mula dikeluarkan pada 1969. Ia telah dikenali sebagai 'Flagon-D' oleh NATO, walaupun begitu designasi Soviet tetap tidak berubah.

Pada 1969, ujian dimulakan bagi menguji pesawat tingkat upaya Su-15T dengan memasang radar Volkov Taifun. Radar Taifun terbukti gagal, dan pengeluarannya telah dihentikan setelah hanya 10 buah pesawat dibina. Pada Disember 1971, Su-15TM muncul (NATO 'Flagon-E'), dengan memasang radar Taifun-M yang dipertingkat dan cadangan untuk pemasangan pod meriam UPK-23-250 atau peluru berpandu jarak dekat [[[Molniya R-60]].

Banyak cadangan Sukhoi OKB untuk menaik taraf Su-15 dengan enjin dan aerodinamik lebih baik telah ditolak bagi memberi laluan untuk pembangunan pesawat pemintas Mikoyan MiG-23.