I 1960 besluttede Sovjetunionen, at luftvåbnets jagerfly ikke i tilstrækkeligt omfang var i stand til at at opspore og nedskyde eventuelle indtrængende bombefly fra USA. USA havde foretaget en række opgraderinger af B-52-bombeflyet til B-52F og B-52G, ligesom USA i slutningen af 1950'erne planlagde udvikling af supersoniske bombefly, herunder mach 3-bombeflyet B-70 Valkyrie. I slutningen af 1950'erne var jord-til-luft-missiler ikke i stand til at nedskyde denne type fly, hvorfor udvikling af et meget hurtigt jagerfly med evne til at stige hurtigt var nødvendigt. Sovjetunionens flåde af jagerfly til forsvar mod indtrængende bombefly bestod på daværende tidspunkt primært af jagerfly af typen Su-9, Su-11, MiG-19 og Jak-25, og det blev vurderet, at disse fly ikke i tilstrækkelig grad ville være i stand til at løse opgaverne bl.a. pga. begrænset hastighed og radarkapacitet. Flyene var heller ikke i stand til tilstrækkeligt effektivt at angribe et indtrængende fly "forfra" på vej ind over målet. Det blev derfor besluttet at iværksætte udvikling af en række moderne jagerfly. Sukhoj OKB udviklede på grundlag heraf bl.a. et et-motoret design T-49 på grundlag af Su-9's skrog men med luftindtag i siden frem for luftindtag i næsen, hvorved der blev bedre plads i flyets næse til placering af en ny radar, RP-22 Oryol-D (NATO navn "Skip Spin"), ligesom Sukhoj udviklede T-5, der grundlæggende var en kraftigt modificeret Su-11 mod et bredere skrog, for at gøre plads til to R-11F-300 motorer. Disse design ledte til T-58, der kombinerede de to motorer med den nye næse, men med luftindtaget trukket længere tilbage. Sukhoj udviklede endvidere en autopilot, der forbedrede muligheden for at opspore og nedskyde fjendtlige fly.  T-58 blev godkendt til produktion den 5. februar 1962 som Su-15, og den første prototype fløj den 30. maj 1962. Testforløbet mellem august 1963 og juni 1964 forløb uden de store problemer, bortset fra, at jagerens korte rækkevidde blev påtalt. Der blev derfor foretaget en forøgelse af tankenes kapacitet og foretaget justeringer af skrogets design.  Det endelige fly gik i tjeneste 1964 med et semi-aktivt radar målsøge-system og et passivt IR målsøgnings-system, der var knyttet til det jordbaserede Vozdukh-1M målsøgningssystem. Flyet viste sig hurtigt at være de øvrige sovjetiske jagere overlegen, ikke blot med hensyn til hastighed og stigeevne, men også på andre parametre, og Su-15 afløste hurtigt Sovjetunionens øvrige flåde af Su-9s, Su-11s og Jak-25. Den første Su-15 fik NATO-rapporteringsnavnet "Flagon-A".  De første deltavingede Su-15'ere har ringe egenskaber ved start og landing, hvorfor Sukhoj udviklede et nyt design med en forlænget vinge, der gav et forøget vingeareal. De nye Su-15 med forlængede vinger kom i tjeneste i 1969 og fik NATO-navnet "Flagon-D". Sovjetunionen ændrede ikke navnet i anledning af varianten.  I 1969 begyndte tests af en opgraderet version, Su-15T, med en Volkov Taifun radar, der var baseret på MiG-25's kraftige RP-25 Smerch-A radar (NATO "Foxfire"). Taifun radaren var ingen succes, og der blev alene produceret 10 nye Su-15T, I stedet udvikledes Su-15TM (NATO "Flagon-E") med en forbedret Taifun-M radar (NATO "Twin Scan") og mulighed for tilkobling af maskinkanon UPK-23-250 eller R-60 (AA-8 "Aphid") og kortrækkende luft-til-luft missiler. Taifun-radaren i Su-15TM var optimeret til at fungere som imødegå det fjendtlige flys egne imødegåelses-funktioner på bekostning af Taifun-radarens rækkevidde. Med et modificeret aerodynamisk design fik varianten NATO-navnet "Flagon-F". En variant til træning (Su-15UM (NATO "Flagon-G")) fulgte i 1976. De sidste Su-15, der blev produceret, var Su-15UM'ere, der blev produceret i 1979. Sukhoj OKB fremsatte flere forslag og tilbud om at foretage yderligere opgraderinger af flyet og motorerne for at opfylde Sovjetunionens krav til et langtrækkende taktisk jagerfly, men disse blev afvist af Sovjetunionen, der valgte at satse på Mikojan-Gurevitj MiG-23 i stedet.