Prototyp oblatano w 1970, lecz na skutek przesunięcia środka ciężkości do przodu, samolot okazał się nieudany i dalsze prace przerwano.
Po wejściu do służby Su-15TM opracowano na jego bazie nową wersję szkolną Su-15UM (oznaczenie fabryczne U-58TM). Kabinę instruktora umieszczono w niej bez przedłużania kadłuba. Wersja ta była również pozbawiona radaru i pocisków naprowadzanych półaktywnie R-98M, lecz można było na niej stosować pociski samonaprowadzane termicznie R-98T i R-60 oraz dwa podwieszane kontenery z działkiem UPK-23-250. W 1976 zbudowano pierwszy samolot, po czym produkowano je do 1980 (ostatni został przekazany użytkownikowi w 1982).
Użycie Pierwsze Su-15 trafiły do jednostek w 1967, w tym też roku zaprezentowano je na paradzie lotniczej w Domodiedowie. Su-15T i TM weszły do służby od 1972, z czego Su-15T tylko do jednostek szkolnych, natomiast Su-15TM stał się standardowym radzieckim myśliwcem przechwytującym. W połowie lat 70. wersje Su-15 stanowiły uzbrojenie 29 pułków myśliwskich – powyżej 1/3 jednostek obrony powietrznej.
Po rozpadzie ZSRR w 1991, Su-15 używane były jeszcze do 1993 w Rosji i do 1996 na Ukrainie.