自從蘇-15截?fù)魴C(jī)于1965年服役以后，蘇聯(lián)國土防空軍就認(rèn)為其性能無法滿足需求。1965年4月30日，蘇聯(lián)部長會議做出決議，要求蘇霍伊設(shè)計(jì)局立即著手研制蘇-15的第二階段改進(jìn)型。然而，因當(dāng)時(shí)多種機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)正在進(jìn)行競爭，造成該局無法確定蘇-15改進(jìn)型的雷達(dá)系統(tǒng)。直到1967年10月，蘇霍伊設(shè)計(jì)局才決定用“臺風(fēng)”雷達(dá)系統(tǒng)取代“風(fēng)箏”-58，并于1968年3月22日獲得蘇聯(lián)部長會議的最終確認(rèn)。

由于雷達(dá)系統(tǒng)選型導(dǎo)致的拖延，蘇霍伊設(shè)計(jì)局直到1968年11月才正式提出蘇-15改進(jìn)型方案。鑒于新式“臺風(fēng)”雷達(dá)系統(tǒng)十分復(fù)雜，該局決定分兩階段完成改進(jìn)計(jì)劃——先少量投產(chǎn)只用于訓(xùn)練的有限改進(jìn)型蘇-15T，之后再推出全功能改進(jìn)型蘇-15TM。

為了加快進(jìn)度，蘇霍伊設(shè)計(jì)局用一架生產(chǎn)型蘇-15改裝成為蘇-15T首架原型機(jī)。該機(jī)裝有“臺風(fēng)”雷達(dá)系統(tǒng)和R-13-300發(fā)動(dòng)機(jī)。1969年1月27日，蘇-15T完成首飛。同年12月，首架蘇-15TM原型機(jī)也成功下線。該機(jī)換裝了更先進(jìn)的“臺風(fēng)-M”雷達(dá)系統(tǒng)。但因新雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)試造成延誤，故蘇-15TM的首飛延至1970年4月7日。

從1971年1月25日起，蘇-15T首先開始進(jìn)行國家驗(yàn)收試驗(yàn)。然而，試驗(yàn)結(jié)果卻非常糟糕——“臺風(fēng)”雷達(dá)系統(tǒng)無法有效跟蹤低空飛行目標(biāo)，因此新西伯利亞飛機(jī)制造廠僅生產(chǎn)了20架蘇-15T。與此同時(shí)，蘇-15TM也遇到了“臺風(fēng)”-M雷達(dá)系統(tǒng)性能不可靠的問題。1971年6月8日，蘇聯(lián)空軍科學(xué)試驗(yàn)研究院決定暫停蘇-15TM的試飛項(xiàng)目。

就在蘇-15TM面臨下馬之際， 蘇霍伊設(shè)計(jì)局推出了第三架蘇-15TM原型機(jī)，該機(jī)裝有新型進(jìn)氣道，雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性也有所提升。1971年5-8月，第三架蘇-15TM原型機(jī)取得了優(yōu)秀的試飛成績：升限提高了900米，達(dá)到18 500米，飛機(jī)的加速性能也有很大提升。1972年4月，該局同時(shí)投入4架蘇-15TM原型機(jī)進(jìn)行低空攔截試驗(yàn)，在16次試驗(yàn)中有12次取得成功。

1975年1月21日，蘇聯(lián)部長會議正式批準(zhǔn)蘇-15TM定型。實(shí)際上，新西伯利亞飛機(jī)制造廠早在1972年就開始生產(chǎn)蘇-15TM，至1975年底停產(chǎn)時(shí)，總產(chǎn)量達(dá)到110架。

為了進(jìn)一步提升性能，蘇霍伊設(shè)計(jì)局為一架蘇-15TM原型機(jī)換裝了R-25-300發(fā)動(dòng)機(jī)，該機(jī)被稱為蘇-15bis，并于1972年7月3日首飛。1973年6月5日-10月10日，該機(jī)順利完成國家驗(yàn)收試驗(yàn)。然而，蘇-15bis未能投產(chǎn)，原因是R-25-300發(fā)動(dòng)機(jī)被優(yōu)先供應(yīng)給了米格-21bis。