Los Su-15 pronto se convertirían en el principal interceptor de la URSS, muy por delante del mucho más famoso MiG-25. La PVO planeaba utilizar el Flagon en 41 regimientos. Sin embargo cuando la producción termino, a principios de 1976, el Su-15 era operado en tan solo 29 escuadrones, 18 de estos volando la versión inicial y 11 la TM. A pesar de todo esto, el Flagon representaba 2/3 de los interceptores de la PVO. Los aviones remplazados por el Flagon eran en general Su-9, Su-11, Yak-28P y MiG-21PFM.

Los principales enemigos del Su-15 eran los bombarderos estratégicos de la OTAN, en especial el B-52 y la clase V británica, así como los misiles que portaban (Hound Dog y Blue Steel respectivamente). A pesar de estar armado con misiles de corto alcance R-60, el Flagon no estaba diseñado para combates cerrados. Este armamento era montado como medida de protección en caso de encontrar cazas.

Como sus antecesores el Flagon nunca fue exportado, aunque si que se desplegó fuera de la URSS. El 54 GIAP viajaba a Polonia cada 2 años, donde practicaba operaciones desde autopistas, que eran utilizadas como aeropuertos improvisados. Incluso un escuadrón de este regimiento estuvo un verano en Slupsk, practicando con sus Su-15TM aterrizajes y despegues.

Un total de 1290 Flagon fueron producidos en la fabrica de Novosibirsk entre 1966 y 1979. Tan solo 37 se perdieron en accidentes, lo que equivale a una tasa de accidentes de 6.76 por cada 100000 horas (F-16: 10, MiG-31: 11.5, MiG-25: 10). Las horas de vuelo realizadas en este avión suman 547055.

En 1976 entra en servicio el MiG-23M, con capacidad look down/shoot down. El Su-15 pasa a un segundo plano y algunos se trasfieren a las fuerzas aéreas tácticas, donde no tuvo mucho éxito debido a la carencia de los sensores y avionica necesaria para este tipo de misiones. A mediados de 1980 aparecen los mucho más modernos Su-27 Flanker y MiG-31 Foxhound, que remplazan tanto al Su-15TM como el MiG-23. En 1987 la PVO operaba todavía unos 260 Flagon, pero el final de la guerra fría, la desaparición de la URSS y la posterior crisis económica significaría el fin del Flagon. Rusia retiro sus últimos ejemplares en 1992 mientras que Ucrania lo haría en 1996, siendo los ultimos regimientos en operarlo el 636 IAP (Krasnatorsk) y 62 IAP (Belbek).

Muchos Su-15 fueron desguazados cuando todavía tenían muchas horas de vuelo. El avión en si tenia mucho margen de mejora, sobre todo si se le hubiese incorporado un radar look down/shoot down, como al MiG-23. A pesar de todo el Su-15 es el avión de la PVO con el porcentaje de intercepciones con éxito más alto.

A finales de los 90 el Flagon volvió a ser protagonista de las noticias pero por su venta ilegal a museos. Según los oficiales imputados el Su-15 generaba mucho interés como consecuencia de la tragedia del KAL007.

Su-15TM “Flagon-F”