Первой модификацией перехватчика должен был стать самолет-штурмовик Т-58М, разрабатывавшийся в соответствии с августовским 1965 года постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР и получивший впоследствии обозначение Т-6. На этом самолете - впервые в отечественной практике - предполагалось установить дополнительные подъемные низкоресурсные двигателями РД36-35, тягой по 2350 кгс.
Для проверки технического решения на базе первого опытного экземпляра Т-58Д-1 была создана летающая лаборатория Т-58ВД, оснащенная тремя подъемными ТРД, расположенными в районе центра масс машины. Для этого пришлось пожертвовать фюзеляжными топливными баками. Самолет передали на летные испытания в 1966-м, и в следующем году его продемонстрировали на воздушном празднике в Домодедово. Результаты исследований дополнительной силовой установки были использованы при создании первого опытного экземпляра самолета Т-6, имевшего с Т-58Д лишь схожую аэродинамическую компоновку крыла и ТРД РД36-35. После завершения исследований Т-58ВД передали в Московский авиационный институт на 101-ю кафедру факультета «Самолетостроение», где его и утилизировали.
Поскольку речь зашла о летающих лабораториях, то уместно отметить, что Су-15 использовался также для исследований по дозаправке топливом в полете по схеме «конус-штанга». Тема получила название «Сахалин», и в ней участвовали две машины. Одна из них была оснащена топливоприемной штангой, а другая - универсальным подвесным агрегатом заправки (УПАЗ). На Т-58-95 испытывали опытный двигатель Р11Ф3-300, установленный вместо правого Р11Ф2С-300. На летающей лаборатории Су-15К (104) в 1972-74 годы исследовалось влияние отклонения вектора тяги на летные характеристики машины и проводились контрольные испытания серийных кресел всех типов, а также летно-конструкторские испытания кресел семейства К-36.
В 1973-75 годы на летающей лаборатории Су-15 №1128 исследовали возможность пилотирования истребителей с помощью боковой ручки. При этом машина была оборудована системой искусственного улучшения управляемости.