W efekcie władze zdecydowały ograniczyć produkcję następcy Su-9 - Su-11, a także skłaniały się ku wyposażeniu jednostek w bezpieczniejsze samoloty dwusilnikowe. Samolot tego rodzaju – Jak-28P, opracowany przez Jakowlewa, zastąpił w produkcji Su-11.
T-58D - Su-15 thumb|left|Su-15 W tej sytuacji, Suchoj zdecydował przeprojektować T-58 na samolot dwusilnikowy, napędzany dwoma słabszymi, lecz sprawdzonymi silnikami Tumanskiego R-11F-300. Korzystał w tym celu z doświadczeń eksperymentalnego myśliwca T-5 (dwusilnikowej wersji T-3, oblatanej 18 lipca 1958). Nowy wariant oznaczono T-58D. Silniki umieszczono obok siebie w poszerzonej tylnej części kadłuba, który przybrał kształty zgodne z regułą pól (aczkolwiek z jedynie niewielkim przewężeniem). Początkowo prace prowadzono bez oficjalnego zamówienia, w końcu w lutym 1962 władze zamówiły rozwój samolotu jako modernizacji Su-11, początkowo pod oznaczeniem Su-11M.