Требования к новому самолету ВВС предъявили чрезвычайно высокие: перехватчик должен был работать по целям, идущим со скоростью 2500 километров в час на 27-километровой высоте. Работы начались в марте 1960-го, ноябре новая машина уже получила название Су-15 (хотя бытовало и название Су-11М), а комплекс перехвата, куда входил самолет, – Су-15К-40. Но затем на судьбу машины повлияли многочисленные аварии с Су-7Б и Су-11, а кроме того, появились перехватчики Як-28П, МиГ-21ПФ и Ту-128, в пользу которых начала складываться ситуация. Спасая машину, на Су-15 срочно отказались от ненадежного двигателя АЛ-7Ф, заменив его двумя хорошо освоенными моторами Р-11Ф-300. Первый полет прототип выполнил 30 мая 1962-го (летчик В.С. Ильюшин). По итогам многочисленных полетов было отмечено, что
На вооружение самолет поступил 30 апреля 1965-го под маркой Су-15. Комплекс ПВО получил название Су-15—98, так как истребитель оснащался ракетами Р-98. Серийный выпуск был развернут летом 1966-го в Новосибирске, на авиазаводе № 153, с которого Су-15 вытеснил своего конкурента Як-28П.
Су-15 – одноместный сверхзвуковой перехватчик с треугольным стреловидным крылом. Длина – 22 метра, высота – 4,8 метра, размах крыла – 9,3 метра, взлетная масса – 17 тонн, скорость – 2230 километров в час, потолок – 18 500 метров, дальность – 1700 километров. Самолет был вооружен управляемыми ракетами Р-98 и Р-60 класса «воздух – воздух» и мог нести две 250-килограммовые бомбы.
С весны 1967-го новый самолет пошел в строевые части ПВО. Сначала их получил 611-й истребительный авиаполк Московского округа ПВО, затем – полки, стоявшие в Крыму и Эстонии. К лету 1968-го в советских ВВС несли службу уже 130 таких истребителей. Процесс их освоения проходил гладко, таких аварий, как с предыдущими машинами Су, не было.
В целом Су-15 сыграл весьма важную роль в истории советских ВВС, так как именно он оказался основным истребителем-перехватчиком Советского Союза времен холодной войны. Выпуск собственно Су-15 шел до 1971 года, затем его сменила улучшенная версия Су-15Т (построено 20 самолетов) и Су-15ТМ с улучшенной РЛС «Тайфун-М». В 1969 году был принят на вооружение учебно-тренировочный Су-15УТ, а в 1977-м – Су-15УМ.
В истории боевой службы самолета было несколько эпизодов, которые сделали его широко известным в мире. Так, 20 апреля 1978 года южнокорейский лайнер «Boeing 707», летевший из Парижа в Сеул, нарушил государственную границу СССР над Кольским полуостровом. На перехват поднялся Су-15 431-го истребительного авиаполка ПВО (летчик Александр Босов). Экипаж «боинга» на сигналы истребителя не отвечал и начал уходить в сторону финской границы, до которой было 80 километров. В этой ситуации было принято решение об открытии огня. Су-15 выпустил одну ракету, которая повредила двигатель лайнера, и тот совершил вынужденную посадку на лед озера, при этом двое пассажиров погибли.
18 июля 1981 года Су-15ТМ из 165-го истребительного авиаполка ПВО (летчик Валентин Кулягин) атаковал вторгшийся в воздушное пространство СССР аргентинский грузовой самолет «Canadier CL-44», летевший из Тель-Авива в Тегеран. Пытаясь выполнить приказ о посадке нарушителя, Кулягин сблизился с ним и таранил, после чего аргентинский самолет упал и взорвался. Летчик был награжден орденом Красного Знамени. Наконец, в ночь на 1 сентября 1983 года южнокорейский «Boeing 747», летевший из Нью-Йорка в Сеул, вторгся в воздушное пространство СССР и над Сахалином был сбит перехватчиком Су-15ТМ из 777-го истребительного авиаполка ПВО (летчик Геннадий Осипович), погибли находившиеся на борту 269 человек. Этот инцидент получил широкую огласку в мире и сильно осложнил отношения СССР и США.