Ponieważ prace nad nim przeciągnęły się na skutek problemów z radarem, ostatecznie zbudowano w 1970 tylko 20 samolotów.
thumb|left|Ukraiński Su-15TM w muzeum w Koszycach Równolegle opracowany był docelowy wariant ulepszony Su-15TM, ze stacją radiolokacyjną RP-26 Tajfun-M i ulepszonymi pociskami rakietowymi R-98M. Jego prototyp oblatano 7 kwietnia 1970 i po próbach skierowano do produkcji, trwającej w latach 1971–1975. Oficjalnie został przyjęty do uzbrojenia w składzie kompleksu przechwytującego Su-15-98M dopiero 21 stycznia 1975. Od 8. serii produkcyjnej wprowadzono nową osłonę stacji radiolokacyjnej, o bardziej zaokrąglonych liniach, w celu poprawy warunków pracy stacji, montowaną później także na wcześniejszych maszynach. Awionikę samolotu następnie ulepszano, w szczególności począwszy od 1978 modernizowano radary, po tym, jak zachodni eksperci zapoznali się z myśliwcem MiG-25P wyposażonym w pokrewną stację radiolokacyjną Smiercz-A (na skutek ucieczki W. Bielenki do Japonii). W toku produkcji wprowadzono też możliwość podwieszania uzbrojenia bombowego na zamkach uniwersalnych. Od 1979 samoloty przystosowano także do przenoszenia pocisków bliskiego zasięgu R-60.