Su-15 to samolot myśliwski przechwytujący. Jest jednomiejscowym, dwusilnikowym średniopłatem w układzie klasycznym. Jego całkowicie metalową strukturę wykonano ze stopów duraIowych D16, D19 i W95, a szczególnie obciążone elementy konstrukcji ze stali 30 HGSA i 30 HGSNA.
Kadłub o konstrukcji metalowej, półskorupowy. W części nosowej znajdują się podzespoły stacji radiolokacyjnej wraz z ruchomą anteną, osłonięte radioprzezroczystą stożkową osłoną. Na Su-15TM, w związku z zamontowaniem nowego radiolokatora Tajfun-M, osłonę wydłużono, zmieniając jej kształt na bardziej opływowy.
Przedział kabinowy znajduje się między wręgami 4 i 9. W jego rejonie umieszczono wloty powietrza do silników, które dalej przechodzą w kanały dolotowe powietrza. Wloty powietrza mają przekrój prostokątny, z pionowo położonymi klinami regulującymi przepływ, sterowanymi systemem UWD-58M. Kabina wyposażona jest w fotel katapultowy KS-4 (KS od kriesło Suchowo - fotel Suchoja) konstrukcji OKB Suchoja, który jest wystrzeliwany w sytuacjach awaryjnych po uprzednim odstrzeleniu ładunkami pirotechnicznymi osłony kabiny. Segment środkowy kadłuba zaczyna się od wręgi 14a, a kończy na wrędze 34. Między nimi rozmieszczono trzy zbiorniki paliwa, przedział silnikowy i kanały dolotowe powietrza. Do stalowych wręg segmentu środkowego (nr 16, 21, 25, 28 i 29) zamocowano okucia skrzydeł, a pomiędzy wręgami 28 i 34 mocowane są silniki. Do górnej powierzchni przymocowana jest za pomocą śrub płetwa usterzenia pionowego.
W tylnej części kadłuba znajdują się hamulce aerodynamiczne, siłowniki hydrauliczne sterów wysokości, węzły mocowania usterzeń i odejmowana owiewka zakończenia kadłuba. Wnęki czterech płyt hamulcowych znajdują się pomiędzy wręgami 35 i 38. Hamulce otwierają się maksymalnie pod kątem 50°.
Skrzydła trójdźwigarowe, metalowe. Pokrycie skrzydeł z blachy duralowej i frezowanych paneli. Wznios ujemny jest równy-2°, kąt zaklinowania: 0°, skręcenie aerodynamiczne -7°, skos krawędzi natarcia: 60°. Od 11. serii krawędź natarcia jest załamana: od 2,625 m od płaszczyzny symetrii samolotu jej kąt skosu wynosi 45°. zwiększono też rozpiętość z 8,616 do 9,340 m. Na tylnej krawędzi klapy i lotki zawieszone obrotowo (w prototypach klapy były wychylane i wysuwane). Lotki wychylają się 18° w górę i w dół, a klapy 25° (Su-15TM z UPS-45°) w dół. Pomiędzy dźwigarami nr 2 i 3 znajdują się integralne zbiorniki paliwa. W przedniej części przed pierwszym dźwigarem, pomiędzy podłużnicą nr 1 a żebrem przy kadłubowym umieszczono część wyposażenia systemu uzbrojenia. W skrzydłach znajdują się także także częściowo wnęki podwozia.
Usterzenie poziome płytowe, dwudźwigarowe, skośne umieszczone 110 mm poniżej osi podłużnej samolotu. Pokrycie z blachy duralowej usztywnione podłużnicami i żebrami. Grubość względna: 6%, kąt skosu w 25% cięciw wynosi 55°, kąt zaklinowania: -4°10", a kąt wzniosu: -6°, Usterzenie wychylane jest w zakresie kątów od +8° do -20°. Na końcach płyt usterzenia umieszczono masy przeciwflatterowe na wysięgnikach odgiętych pod kątem 15" do góry.
Usterzenie pionowe dzielone na statecznik i ster kierunku. Statecznik jednodźwigarowy o kącie skosu w 25% cięciw równym 55° i grubości względnej 7%. Pokrycie z blachy duralowej usztywnione podłużnicami i żebrami. Końcówka to radioprzezroczysta osłona anten urządzeń radioelektronicznych.
Ster jednodźwigarowy, mocowany do statecznika w trzech punktach. Zakres wychyleń +/-25°
Podwozie trójpodporowe z golenią przednią. Podwozie przednie z samonastawnym kołem pojedynczym. Koło KT-61, hamowane, wysokociśnieniowe, 660x200 mm. Gofeń chowana do przodu do wnęki zakrywanej dwoma pokrywami. W Su-15TM goleń wydłużono o 350 mm i zastosowano sterowane zdwojone koła niehamowane KN-9 o wymiarach 620x180 mm.
Podwozie główne chowane do wnęk w skrzydłach i w kadłubie. Koła KT-117 hamowane, wysokociśnieniowe, o wymiarach 880x230 mm.
Hamulce na wszystkich kołach tarczowe, amortyzatory hydropneumatyczne. Chowanie i wypuszczanie podwozia - hydrauliczne, awaryjne - pneumatyczne. Spadochron hamujący o powierzchni 25 m2 umieszczony w zasobniku znajdującym się u nasady usterzenia pionowego. .
Wyposażenie. Podstawowe wyposażenie radioelektroniczne Su-15 to celownik radiolokacyjny RP-15M (Orieł-D58M), aparatura naprowadzająca radioliniowa ARL-S (Lazur), radiostacja RSJu-5 (R-802W), odbiornik znaczników MRP-56P, system identyfikacyjny "swój-obcy" SRZO-2M Chrom-Nikiel, radiowy-sokościomierz małych wysokości RW-UM, radiokompas ARK-10, urządzenie odzewowe (transponder) SOD-57M oraz stacja ostrzegawcza Sirena-2. Zasadniczym wyposażeniem pilotażowo-nawigacyjnym jest sztuczny horyzont AGD-1 i żyroskopowy wskaźnik kursowy KSI-5.
Na Su-15TM radiostację wymieniono na R-832M (Ewkalipt-SMU), celownik radiolokacyjny na RP-26 (Tajfun-M), stację ostrzegawczą na SPO-10 Sirena-3. zainstalowano też zintegrowany system antenowy Pion-4T, system automatycznego sterowania SAU-58 (SAU-58-2) i radiotechniczny system bliskiej nawigacji RSBN-5S.
Instalacje:
Pneumatyczna: trzy niezależne obwody o ciśnieniu 15-18 Pa. Używana jest do hamowania kół i jako awaryjna do wypuszczania podwozia, klap, spadochronu itp.
Elektryczna: prądu stałego - dwie prądnice 27V, prądu przemiennego - dwa alternatory 115V/400Hz.
Hydrauliczna: cztery (w Su-15TM -trzy) niezależne obwody o ciśnieniu 21-21,5 Pa. Płyn roboczy - AMG-10. Dwa obwody zasilają wzmacniacze napędu powierzchni sterowych typu BU-49 (w Su-15TM - BU-220 i BU-250). Dwa pozostałe zasilają siłowniki chowania i wypuszczania podwozia, klap, hamulców aerodynamicznych, regulacji przekroju wlotów powietrza i napędu anteny radiolokatora.
Zespół napędowy składa się z dwóch silników turboodrzutowych R11F2S-300 (lub R11F2SU-300) o ciągu maksymalnym 38.2 kN, a z dopalaniem 60,8 kN, układu paliwowego, systemu sterowania silnikami, układu chłodzenia i wentylacji, układu zasilania w tlen przy rozruchu w powietrzu i układu przeciwpożarowego. Dla chłodzenia przedziału silnikowego służą dwa chwyty powietrza na kadłubie.
Na Su-15TM instalowano silniki R13-300 o ciągu maksymalnym 40,2 kN, a z dopalaniem 64,7 kN.
Paliwo rozmieszczone jest w trzech zbiornikach kadłubowych, dwóch skrzydłowych i dwóch zbiornikach podwieszanych. Całkowita pojemność systemu paliwowego wynosi 8060 litrów (5600 kg), w tym w zbiorniku nr 1 (pomiędzy wręgami 14a i 18) - 2350 I, nr 2 (pomiędzy wręgami 18 i 21)-1155 I, nr 3 (pomiędzy wręgami 21 i 28)- 2740 I, w zbiornikach skrzydłowych - 615 I, w zbiornikach podwieszanych - po 600 I. Paliwo typu T-1, T-2, TS-1 lub RT.
Uzbrojenie Su-15 to przede wszystkim dwa kierowane pociski rakietowe średniego zasięgu klasy powietrze-powietrze R-8M (R-8MR z pasywną głowicą radiolokacyjną i R-8MT z głowicąna podczerwień) lub kpr R-98 (odpowiednio R-98R i R-98T) przenoszone na belkach podskrzydłowych. Su-15TM jest uzbrojony w kpr R-98MR i R-98MT i dwa kpr bliskiego zasięgu R-60 z głowicą samonaprowadzającą na podczerwień. Kompleks Su-15-98 może przechwytywać cele lecące z prędkością do 2000 km/h w przedniej półsferze i 1600 km/h w tylnej półsferze w zakresie wysokości 1000-23000 m.
Ponadto pod kadłubem Su-15TM może przenosić dwa zasobniki strzeleckie UPK-23-250 z dwulufowymi działkami GSz-23Ł kal. 23 mm z zapasem 250 nabojów, a także 2 bomby wagomiarów do 500 kg. Część Su-15 wcześniejszych serii przystosowano do podwieszania kpr R-60 lub zasobników strzeleckich poprzez zamontowanie pod skrzydłami dodatkowych wewnętrznych belek do ich przenoszenia.