W toku produkcji wprowadzano modernizacje – przede wszystkim od 11. serii w 1969 skrzydła delta otrzymały wydłużone końcówki, polepszające stateczność oraz klapy z nadmuchem, polepszające charakterystyki lądowania. Zaczęto stosować też mocniejsze silniki R-13-300. Stacja radiolokacyjna była na już wyprodukowanych maszynach modernizowana do standardu RP-15M (Orieł-D58M), o większej odporności na zakłócenia. W latach 70. samoloty dostosowywano do przenoszenia dwóch podwieszanych kontenerów UPK-23-250 z działkiem 23 mm GSz-23Ł, a w latach 80. do przenoszenia pocisków bliskiego zasięgu samonaprowadzających się na podczerwień R-60.
Su-15T i TM Dla zwiększenia możliwości bojowych Su-15, podjęto prace nad nowymi wersjami, wyposażonymi w stację radiolokacyjną Tajfun (rozwinięcie Smiercz) oraz system automatycznego pilotażu SAU-58, pozwalający na optymalne wyjście na wysokość i kierunek celu według komend ze stanowiska dowodzenia oraz na automatyzację lotu na małej wysokości. Pierwszym wariantem był przejściowy Su-15T, którego prototyp zbudowano w 1969. Miał on pociski R-98 i mocniejsze silniki R-13-300, z powiększonymi wlotami powietrza.