В том же году, в ответ на запрос ВВС США разработать вариант F-15 с уменьшенной более чем на 50% длиной разбега и пробега, «Макдоннелл Дуглас» представила проект экспериментального самолета F-15STOL, в дальнейшем получившего обозначение F-15S/MTD. На этой машине предлагалось применить переднее горизонтальное оперение (ПГО), а также плоские сопла с управлением вектором тяги (УВТ) в вертикальной плоскости и реверсом. В F-15S/MTD переоборудовали первый опытный учебно-боевой F-15D. В качестве ПГО были использованы консоли стабилизатора F/A-18, установленные с поперечным «V» в 20° и способные отклоняться как симметрично, так и дифференциально. Фирма «Пратт Уитни» разработала плоские поворотные сопла из титановых сплавов с системой жидкостного охлаждения, для чего самолет потребовалось оснастить специальным турбохолодильником. Опытная машина получила новую цифровую электродистанционную систему управления, объединяющую традиционные исполнительные органы управления с управлением ПГО, двигателем, поворотными соплами, носовым колесом и тормозами основных колес. Характерной особенностью F-15S/MTD стала реконфигурируемость системы управления: при потере или отказе какой-либо исполнительной поверхности управления, а также отказе одного из двигателей функции остальных органов управления автоматически переопределялись таким образом, чтобы сохранять, насколько это возможно, устойчивость и управляемость самолета. Для повышения предельно допустимой вертикальной скорости касания земли были усилены опоры шасси. В сочетании с пневматиками низкого давления это позволило эксплуатировать машину с грунтовых ВПП, а также с плохо отремонтированных бетонных полос. Самолет оснастили и автоматической автономной системой посадки, обеспечивающей приземление при высоте нижней кромки облачности 60 м и прямой видимости 800 м. Модернизированный радар AN/APG-70 обеспечивал разрешение 5,2 м на расстоянии 39 км и 2,6 м – на 22 км. Доработки привели к существенному увеличению массы самолета – только за счет установки ПГО он потяжелел на 1090 кг.
Согласно первоначальным планам, первый полет экспериментальной машины должен был состояться в начале 1988 г. Однако «Пратт Уитни» встретилась при разработке новых сопел с рядом проблем, что несколько задержало начало летных испытаний. F-15S/MTD без системы УВТ поднялся в воздух 7 сентября 1988 г., а в штатной конфигурации – 10 мая 1989 г. Испытания на авиабазе Эдварде проходили до августа 1991 г. и включали 138 полетов, в целом подтвердивших работоспособность технических новшеств. Так, скорость захода на посадку F-15S/MTD по сравнению с F- 15D уменьшилась с 260 до 222 км/ч, а дальность полета возросла на 13%. За счет использования плоских сопел и ПГО угловая скорость крена возросла на 24%, а тангажа – на 27%. Была продемонстрирована возможность посадки на сухую полосу длиной 425 м и мокрую длиной 985 м (для серийного истребителя F-15C требуется 2300 м мокрой полосы). В ходе последнего испытательного полета 12 августа 1991 г. самолет выполнил посадку ночью без использования наземного оборудования, лишь за счет бортовых средств. Технологии, отработанные на F-15S/MTD, нашли широкое применение при создании истребителя пятого поколения F/A-22A «Рэптор», а также в ряде других программ.