Исторически сложилось так, что учебно-тренировочные самолёты разрабатывались в Советском Союзе позже, чем соответствующие боевые самолёты. Су-15УТ не стал исключением. Его производство началось в 1970 году, примерно в то же время, когда прекращалось производство первой версии Су-15. Двухместный Су-15У был спроектирован одновременно с боевым одноместным Су-15, и их можно было производить одновременно. Однако разработка учебно-тренировочной версии Су-15 была отложена, поскольку она не была включена в план производства экспериментальных самолётов. Официально конструкторское бюро получило разрешение на разработку учебно-тренировочного самолёта только в 1965 году. Согласно техническим характеристикам, учебно-тренировочный самолёт Су-15У должен был быть вооружён полным комплектом ракетного вооружения Р-98 и оснащён системой наведения «Лазурь-М» и радиолокационным прицелом «Коршун-58». Это был тот же прицел, который должен был использоваться в одноместной версии. В 1965 году были окончательно утверждены общая компоновка и конструктивная схема. Кроме того, был завершён первоначальный проект и построен макет передней части фюзеляжа самолёта, получившего обозначение У-58. В октябре макет был рассмотрен и одобрен комиссией ВВС. В конце 1965 года началась работа над проектом. Проект был завершён во второй половине 1966 года. Было решено построить прототип на производственном заводе. Там началась разработка производственных инструментов и подготовка к созданию прототипа. Согласно плану разработки, прототип должен был быть готов к лётным испытаниям во втором квартале 1976 года. Однако разработка самолёта была отложена. Также существовала некоторая неопределённость в отношении радара. В 1976 году планировалось оснастить модифицированный одноместный перехватчик новой радиолокационной станцией типа «Тайфун». В связи с этим возник вопрос о целесообразности оснащения двухместного самолёта радиолокационной станцией «Коршун-58». Это привело к компромиссному решению. Чтобы сократить время разработки, было решено построить учебно-тренировочный самолёт У-58Т без радиолокационной станции и некоторых других систем. Полный комплект оборудования, включая радар, будет добавлен при первой возможности.
Прототип учебно-тренировочного самолёта был спроектирован и построен в короткие сроки. У этого самолёта было две кабины, фюзеляж был на 450 мм длиннее, чем у одноместной версии, а его передняя часть была изменена. Конструкция фонаря была такой же, как у Су-9У. У обеих кабин были откидные фонари. В обеих кабинах были установлены катапультируемые кресла KС-4. Была изменена базовая система управления самолетом. Кабина инструктора была оснащена панелью моделирования отказов и полным набором средств управления. Добавление второй кабины привело к уменьшению емкости первого топливного бака на 900 л. Однако в хвостовой части фюзеляжа был установлен дополнительный топливный бак на 190 л. Общий запас топлива составил 6110 л. Этот самолёт, в отличие от боевых перехватчиков, не был оснащён радаром, системой «Лазурь-М», оборудованием «Сирена-2» или ракетами. В остальном всё оборудование было таким же, как у Су-15. Самолёт был оснащён системой внутренней связи СПУ-9. Аэродинамические макеты Р-98 были установлены под крыльями вместо действующих ракет.
В 1967 году началось строительство двух прототипов У-58T, одного для летных испытаний, а другого для испытаний конструкции. Самолет для испытаний конструкции был построен в 1967 году. Испытательная станция завода в Новосибирске получила летно-испытательный самолет летом 1967 года. Летчик-испытатель конструкторского бюро Евгений Кукушев выполнил первый полет на 26 августа 1968 года. Самолет завершил программу заводских испытаний в конце 1968 года, а в 1969 году государственные летные испытания были успешно завершены. Самолет был рекомендован к производству. В результате приказа министра обороны от 3 июля 1970 года Су-15УТ был принят на вооружение. Серийное производство началось в 1970 году и продолжалось до 1972 года. Самые совершенные самолёты этой серии были оснащены новой радиостанцией Р-832M. Вес пустого самолёта составлял 10 750 кг.