Menyedari kekangan pada pesawat-pesawat terawal sepertiSu-9 danSu-11,Sukhoi OKB dengan pantas mula membangunkan pesawat lebih berupaya. Pelbagai pesawat pembangunan dibina secara beransur-ansur, termasukT-49, yang berkongsi fiuslaj yang sama dengan Su-9 (termasuk enjin tunggalnya), tetapi memasang salur masuk udara di sisi bagi memberi ruang bagi menempatkanradom besar pada muncung pesawat untuk memasang radar 'Oriol-D' (Eagle), danT-5, dengan mengubahsuai secara ketara pesawat Su-11 dengan melebarkan fiuslaj belakang yang menempatkan dua enjinTumansky R-11.
Ini membawa pada pembinaanT-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 pada5 Februari1962, dan dikenali sebagaiSu-15. Prototaip pesawat ini telah membuat penerbangan sulung pada30 Mei1962. Ia telah melalui ujian perkhidmatan pada5 Ogos1963, akan tetapi kemasukannya dalam perkhidmatan mengalami kelewatan disebabkan perbalahan politik denganYakovlev OKB ke atas keupayaan baris pengeluaran diNovosibirsk, yang mana juga mengeluarkan pesawatYakovlev Yak-28P. Su-15 terbukti lebih baik dalam segala aspek kecuali jarak, dan telah ditauliahkan secara rasminya pada3 April1965. Siri pengeluaran bermula pada tahun berikutnya, dan mula memasuki perkhidmatan denganPVO pada 1967, bagi mengantikan Su-9, Su-11 danYakovlev Yak-25. Pesawat awal Su-15 telah mendapatnama 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.
Pesawatsayap 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) dansempadan 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 upayaSu-15T dengan memasang radarVolkov 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 meriamUPK-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 pemintasMikoyan MiG-23.
Prototaip yang menggunakan tiga unit jet angkatan Kolesov di tengah fiuslaj bagi memberi keupayaanSTOL. Tidak dikeluarkan secara besar-besaran.
Su-15UT (Flagon-C)
Versi latihan tanpa dilengkapi dengan radar dan keupayaan tempur, digunakan sejak 1970.
Su-15 (Flagon-D)
Versi dengan hujung sayap yang dipanjangkan, dibina sejak 1969.
Su-15T (Flagon-E)
Versi dipasang dengan radar Volkov Taifun, 10 buah telah dibina.
Su-15TM (Flagon-F)
Versi naik taraf Su-15T, dipasang dengan radar Taifun-M dan mengubah aerodinamik, digunakan sejak 1971. Rekabentukradom baru untuk memperbaiki prestasi radar.
Su-15UM (Flagon-G)
Versi latihan Su-15TM tanpa radar tetapi memiliki keupayaan tempur, dibina antara tahun 1976 hingga 1979.
U-58UM
Prototaip Su-15UM dengan radar Taifun-M, tidak dikeluarkan.
Cadangan versi yang berkongsi radar dan peluru berpandu seperti padaMiG-25; tidak dibina.
Su-15bis
Menukar Su-15TM dengan memasang enjin R-25-300 yang berkuasa 15,652 lb (69.9 kN) dengan tujahanpembakaran lanjut untuk meningkatkan prestasi; diluluskan untuk pengeluaran, tetapi tidak dibina kerana kekurangan enjin.
Su-19
Cadangan versi terkini dengan enjin R-25-300, sayap bujur dan pilon tambahan untuk peluru berpandu. Tidak dibina.
Beberapa laporan Barat mengatakan bahawa Su-15TM juga didesignasi sebagaiSu-21 dan Su-15UMSu-21U. Laporan-laporan ini ternyata salah. Designasi Su-21 telah dikhaskan untuk Su-17M4, akan tetapi tidak pernah digunakan.[1]
Butowski, Piotr and Pankov, Valeriy and Ponomaryev, Vadim.Su-15 Flagon. Monografie Lotnicze #14. Gdańsk: AJ-Press, 1994 (ISBN 83-86208-04-X) (in Polish).