Pierwszy nieuzbrojony prototyp (T-58D-1) oblatano 30 maja 1962 (pilot Władimir Iliuszyn). Dopiero we wrześniu 1962 wybrano dla samolotu radar Smiercz-AS i pociski kierowane K-8M2. Jednakże, ponieważ ten system uzbrojenia był dopiero w toku rozwoju, Rada Ministrów zgodziła się na zastosowanie w samolocie radaru Orieł-D i pocisków K-8M1, będących zmodyfikowanym systemem uzbrojenia Su-11. W kwietniu 1963 zbudowano drugi prototyp T-58D-2, wyposażony w ten system uzbrojenia, a potem trzeci T-58D-3.
Od sierpnia 1963 do czerwca 1964 prowadzono badania państwowe prototypów, które przechodziły bez większych problemów. Po próbach, system został 30 kwietnia 1965 oficjalnie przyjęty na uzbrojenie, przy czym samolot otrzymał oficjalne oznaczenie Su-15, stacja radiolokacyjna Orieł-D - RP-15, pociski K-8M1 - R-98, a cały kompleks przechwytujący (samolot, radar i pociski) Su-15-98. Produkcję Su-15 rozpoczęto w zakładzie nr 153 w Nowosybirsku w 1966, w miejsce Jak-28P (a wcześniej Su-11). Samoloty Su-15 pierwszego modelu produkowano do 1971.