До конца года в ходе ГСИ удалось выполнить 64 полета, из них только 40 зачетных. Чтобы не срывать сроков запуска самолета в серию, решили выдать т. н. "предварительное заключение", а в феврале 1970 г. программу первого этапа вообще свернули. В акте по результатам испытаний констатировалось, что из 87 полетов только 63 были выполнены по утвержденной программе, а остальные – по дополнительным, для отработки РЛС "Тайфун" и САУ-58. Основные системы все же удалось довести до работоспособного состояния, и самолет был готов к проведению второго этапа испытаний.
В декабре 1969 г. в ОКБ завершили переоборудование но второй опытный самолет серийного Су-15 №01-05 (ведущий инженер – А. М. Шолош). Он предназначался для Госиспытаний Су- 15ТМ и был оснащен практически полным составом систем и оборудования, включая двигатели Р-13-300 и РЛС «Тайфун-М», обеспечивающую применение ракеты К-98М Так как ГСИ Су-15Т затягивались, было решено привлечь к ним, кроме машины 0006. и самолет №01-05. Из-за недоведенности ряда новых систем ЛИиДБ отказалась сразу принять перехватчик. и его доводка заняла более чем три месяца (Шолош даже ходил по этому поводу жаловаться Сухому). Лишь 7 апреля 19/0 г. Кречетов поднял эту машину в воздух, а через четыре дня она была во Владимировке.
К тому времени там уже более трех недоль на самолете 0006 велась отработка боевого применения в рамках этапа «Б – Госиспытаний. Появление оснащенной двигателями Р-13-300 машины №01-05 позволило снять ЛТХ. Завершились ГСИ в середине июня 1970 г. причем программа этапа "Б" также осталась недовыполненной, т. к. руководство МАП и ВВС категорически требовало срочно начать Госиспытания Су- 15ТМ. Всего в ходе второго этапа на обеих машинах выполнили 72 полета, в т. ч. 14 – на №01-05. В акте по результатам ГСИ констатировалось, что в целом заданный уровень характеристик системы вооружения обеспечен, хотя новое оборудование. прежде всего РЛС. показало довольно низкий уровень надежности
По плану первые 20 Су-15Т Новосибирский завод должен был выпустить во второй половине 1969 г. На деле первый серийный самолет этого типа старший летчик предприятия Выломок поднял в воздух только 20 декабря 1970 г. По мере продвижения программы Су-15ТМ интерес военных к Су 15Т угасал, и выпуск был ограничен всего 20 машинами 1-й и 2-й серий.
Су-15 0001 с подвешенным УПАЗом (вверху) и Су-15Т №02-06, дооснащенный штангой для дозаправки топливом в полете на ЛИиДБ в Жуковском
25 января 1971 г. в ГК НИИ ВВС начались контрольные испытания серийных Су- 15Т №№02-05 и 01-01. причем на первом состоялись 23 полото, о на втором – только 3. Испытания, основной целью которых была оценка работоспособности системы вооружения, прошли в чрезвычайно сжатые сроки всего за месяц. Их результаты оказались неутешительными испытаний самолет не выдержал, и в первую очередь из-за того, что не удалось обеспечить перехват маловысотных целей 8 5 зачетных перехватах на высоте около 500 м только 2 раза наблюдалось сопровождение цели на очень малых дальностях, около 3 км. что никак не могло удовлетворить военных. Кроме того, отмечались неустойчивая работа РЛС при захвате и сопровождении целей на больших высотах почти во всем диапазоне разрешенных дальностей пуска, проблемы с электромагнитной совместимостью (ЭМС) систем самолета, сложность посадки с использованием УПС из-за отсутствия -запаса стабилизатора-. В результате сдача Су-15Т заказчику растянулась более чем на год,. в течение которого устранились выявленные недостатки. В строй эти машины попали уже летом 1972 г.