В 1972 году на основании постановления Совета Министров от 25 февраля 1971 г. и совместного решения авиационной промышленности и ВВС были проведены проектные исследования предусматривающие установку более мощного двигателя для Су-15ТМ. Это произошло после завершения первого этапа испытаний перехватчика Су-15-98М был завершен первый этап испытаний перехватчика Су-15-98М.
В качестве двигателя был выбран Р-25-300. Мощность Р-25-300 составляла 7100 кг. Новый Су-15бис был переоборудован из серийного Су-15ТМ на авиационном заводе в Новосибирске в начале 1972 года. К испытаниям он приступил 3 июля. Васильев был назначен ведущим инженером-испытателем инженером. Производственные испытания продолжались до 20 декабря, на них летали летчики-испытатели Владимир Ильюшин, Александр Исаков и Владимир Кречетов. Самолет с двигателем Р-25-300 самолет с двигателем Р-25-300 имел лучшие разгонные характеристики по сравнению с Р-13-300 Су-15ТМ. Увеличилась его максимальная скорость на малых и средних высотах, потолок обслуживания и дальность полета также увеличились.
Самолет был рекомендован к производству, но из-за нехватки двигателей Р-25-300, Су-15бис так и не был выпущен. Только один серийный Су-15ТМ был переоборудован в вариант Су-15бис.