自從蘇-15截擊機于1965年服役以后，蘇聯(lián)國土防空軍就認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)計局立即著手研制蘇-15的第二階段改進型。然而，因當時多種機載雷達系統(tǒng)正在進行競爭，造成該局無法確定蘇-15改進型的雷達系統(tǒng)。直到1967年10月，蘇霍伊設(shè)計局才決定用“臺風”雷達系統(tǒng)取代“風箏”-58，并于1968年3月22日獲得蘇聯(lián)部長會議的最終確認。

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

為了加快進度，蘇霍伊設(shè)計局用一架生產(chǎn)型蘇-15改裝成為蘇-15T首架原型機。該機裝有“臺風”雷達系統(tǒng)和R-13-300發(fā)動機。1969年1月27日，蘇-15T完成首飛。同年12月，首架蘇-15TM原型機也成功下線。該機換裝了更先進的“臺風-M”雷達系統(tǒng)。但因新雷達系統(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首先開始進行國家驗收試驗。然而，試驗結(jié)果卻非常糟糕——“臺風”雷達系統(tǒng)無法有效跟蹤低空飛行目標，因此新西伯利亞飛機制造廠僅生產(chǎn)了20架蘇-15T。與此同時，蘇-15TM也遇到了“臺風”-M雷達系統(tǒng)性能不可靠的問題。1971年6月8日，蘇聯(lián)空軍科學試驗研究院決定暫停蘇-15TM的試飛項目。

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

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

為了進一步提升性能，蘇霍伊設(shè)計局為一架蘇-15TM原型機換裝了R-25-300發(fā)動機，該機被稱為蘇-15bis，并于1972年7月3日首飛。1973年6月5日-10月10日，該機順利完成國家驗收試驗。然而，蘇-15bis未能投產(chǎn)，原因是R-25-300發(fā)動機被優(yōu)先供應(yīng)給了米格-21bis。