Самолет Су-15 явился дальнейшим развитием сверхзвуковых перехватчиков ОКБ им. П.0 Сухого Су-9 и Су-11. Принят на вооружение авиации войск ПВО в марте 1965 г., а первый полет серийного самолета состоялся в 1966 г. Су-15 выполнен по нормальной аэродинамической схеме с низкорасположенным треугольным крылом и стреловидным оперением. Планер изготовлен преимущественно из алюминиевых сплавов. Фюзеляж — типа монокок. По бокам размещены регулируемые воздухозаборники. В хвостовой части расположено четыре воздушных тормоза. Под килем находится контейнер с тормозным парашютом. Кабина — одноместная (на Су-15УИ и Су-15УМ — двухместная), герметизированная, с системой кондиционирования воздуха. Катапультное кресло КС-4 позволяет покидать самолет во всем диапазоне высот от 0 м при минимальной скорости 120 км/ч. Крыло самолета Су-15 (начиная с 11-й серии) и Су-15ТМ имеет переменную стреловидность по 1/4 хорд (55 град в корневой части и 45 град на концах).Приблизительно половину размаха крыла занимают элероны, другую половину — закрылки простого типа с системой сдува пограничного слоя. Автоматизированная система управления АСУ-58 позволяет выполнять боевое задание вплоть до пуска ракет фактически без участия летчика. Радиолокационные системы "Орел-Д", "Орел-ДМ" или "Орел-ДПА" с параболической антенной, а на Су-15ТМ установлена более мощная РЛС "Тайфун-М".
Самолет Су-15 оснащен радиостанцией Р-802; навигационным оборудованием, включающим радиокомпас АРК-10 и маркерный радиоприемник МРП-56; системой опознавания (СОД-57, СР30-2М). БРЭО дополнено системой ближней навигации РСБН-5С, станцией предупреждения об облучении РЛС-СПО-10 и системой автоматического управления САУ-58. Имеется система автоматической регистрации параметров полета САРПП и радиовысотомер. Автоматизированная система управления, АСУ-58, установленная на самолетах Су-15ТМ, позволяет выполнять боевое задание (вплоть до пуска ракет) в ручном, директорном или автоматическом режиме по командам наземной системы, наведения "Воздух-1" или "Воздух-1М" с линией передачи данных "Лазурь".
Катапультное кресло КС-4 обеспечивает покидание самолета во всем диапазоне высот от 0 м при минимальной скорости 120 км/ч. Самолет, его вооружение и наземные средства управления образовали единый комплекс Су-15-98, который позволяет перехватывать цели, летящие со скоростью до 2000 км/ч в передней полусфере и 1600 км/ч в задней полусфере в диапазоне высот 1000—23000 м. Всего выпущено 1400 истребителей-перехватчиков Су-15 различных модификаций, составивших в 1960—1980-е годы основу истребительной авиации войск ПВО страны.
