W przeciwieństwie do poprzedników, mógł także przechwytywać cele powietrzne z przedniej półsfery.
Su-15TM jako pierwszy radziecki samolot miał pewne możliwości przechwytywania celów nisko lecących (500 m), lecz sam musiał lecieć poniżej, w czym pomagał automatyczny system pilotażu SAU-58 z radiowysokościomierzem, który jednak był efektywny tylko nad płaskim terenem.
Wersje Su-15 – podstawowa wersja bojowa, początkowo wyposażona w skrzydła delta o skosie +53°, od 1969 (seria 11) z większą rozpiętością skrzydeł i mniejszym skosem końcówek, a od 1973 ze zmienionymi zamkami podskrzydłowymi. T-58WD – samolot eksperymentalny krótkiego startu i lądowania (STOL). Przebudowany prototyp T-58D-1 wyposażony w trzy dodatkowe, ustawione pionowo silniki odrzutowe RD36-35, które skracały długość rozbiegu i dobiegu z 1170/1000 m do 500/560 m. Oblatany 6 czerwca 1966, nie produkowany seryjnie. Su-15UT – dwumiejscowa wersja treningowa, o wydłużonym kadłubie, zmniejszonym zbiorniku paliwa i pozbawiona radaru. U-58B – prototyp samolotu szkolno-bojowego, różniący się od Su-15UT radarem, prace nad nim przerwano ze względu na niewyważenie konstrukcji. Su-15-30 – projekt z lat 1966-1967 o zmienionym radarze i silnikach, nie wszedł do produkcji. Su-15Sz – propozycja samolotu szturmowego z lat 1969-1970.