更新时间：2023-07-06 19:48
F-15“鹰”（F-15 Eagle）是美国麦克唐纳·道格拉斯公司飞机公司在1967年研制的一款双引擎、高性能、全天候空中优势战斗机。1963年，美国空军预测使用装备导弹的F-111战斗轰炸机和F-4改进型号战斗机来争夺空中优势，然而在越南战争中这种构想却遭到了重大打击。1965年1月美国国防部长罗伯特·麦克纳马拉指示空军考虑研发一种新的战斗机，因为苏联的新型截击机已经成为了重大威胁。美国空军于1965年4月开始研究一种新型中成本战斗机，前期研究就命名为F-X项目。最终麦克纳马拉支持空军开发新的F-X战斗机，将其视为一种“更复杂、性能更高”的战机来取代F-4。1966年10月约翰·R·博伊德少校根据自己的能量机动理论，和研究团队设计了新F-X需求概念。1967年7月苏联公开展示米格-25战机。随即美国空军在同年8月向七家承包商征求第二轮F-X概念提案。1968年9月，F-X项目获得了F-15的编号。
F-15争夺空中优势的能力是通过空中机动性、加速能力、航程、武器和航空电子设备的结合来实现的。F-15的机动性和加速能力依靠高推重比发动机和低机翼载荷实现的，能够让飞机在不损失空速的情况下紧密转弯。而该机拥有的电子系统和武器装备，可以在友方或敌方控制的空域执行搜索、捕获、跟踪和攻击敌机任务。多任务航空电子系统设计使得一名飞行员就可以有效地进行空对空作战。最初的 F-15设计出门用于空战，而没有任何对地攻击任务。后来美国空军需要一架战斗轰炸机来取代老化的F-111，又在F-15基础上研制了双座F-15E“攻击鹰”（F-15E Strike Eagle）战斗轰炸机。1969年12月美国空军正式将F-15的研发合同授予麦道公司。
F-15气动布局采用大型后掠固定翼、双垂直尾翼、双顶部斜板进气道以及升高的座舱，以确保良好的视野。F-15气动外形的设计目标是在各种任务和战斗性能目标范围内实现高气动效率，因此机翼的设计是最大的技术挑战。F-15使用了全系统集成方法，利用计算机辅助设计与评估（CADE）程序将气动、推进、重量、几何和任务性能要求相互关联，通过迭代过程控制设计变量，以确定飞机的起飞总重、翼面积和机内载油，以满足设计要求。1972年7月27日，编号71-0280的YF系列火箭发动机15原型机成功首飞，总共进行了50分钟的飞行。第一架生产型F-15E飞机于1986年12月11日首飞。
1976年1月，首批F-15A/B战机被交付给驻扎在兰利空军基地的第1战斗机联队，取代了F-4E战斗机。1979年，F-15C/D型号开始进入美国空军服役。1988年4月，第一批F-15E生产型交付给美国空军驻扎在亚利桑那州卢克基地的第405战术训练联队。1979年6月27日，以色列空军的F-15战机使用“怪蛇-3”空空导弹击落叙利亚空军1架米格-21战斗机。这是F-15首次击落敌机。从2014 年“坚定决心”行动开始以来到2017年5月，美国军队投掷了超过 67,333枚炸弹或导弹，其中F-15E投放武器14995件，超过总数的20%，接近于F-22战斗机投弹量的10倍，超过B-52轰炸机和B-1B战略轰炸机的投弹量。
2018年后美国空军还选择购买F-15EX双座型号。2021年2月2日，第一架F-15EX战机首飞。该战机基于波音公司为卡塔尔开发的F-15QA战机改进而来，要用来替换已经老化的F-15C/D战机。美国空军意向采购数量为144架。
1963年，美国空军预测认为在将来的20世纪70-80年代，将使用装备导弹的F-111战斗轰炸机和F-4幽灵II战斗机改进型号战斗机来争夺空中优势。主要是用导弹等先进武器在远距离上摧毁敌机。然而在越南战争中这种构想却遭到了重大打击。美国空军战斗机的机载导弹和汽车传感器并不可靠，敌我战机击落比例为2.5:1。1965年1月美国国防部长罗伯特·麦克纳马拉指示空军考虑研发一种新的战斗机，以“优化近距离空中支援并能实施对地攻击，并能确保战术空中优势”。但是美国空军的研究却发现，麦克纳马拉的指示根本无法实现，因为苏联的新型截击机已经成为了重大威胁。
因此美国空军于1965年4月开始研究一种新型中成本战斗机，前期研究就命名为F-X项目。当时美国军队预估每架战机成本在100-200万美元之间，生产数量在800到1000架之间。设想为单座、双发战斗机，注重机动性而非速度，1970年投入使用。基于这项研究结果，1965年10月6日美国战术空军发布了一种新的空中优势战斗机的作战需求，特点包括高推重比、先进的空对空雷达、最高速度为2.5马赫，以及由红外线近程导弹和雷达制导的超视距导弹组成的武器。最终麦克纳马拉支持空军开发新的F-X战斗机，将其视为一种“更复杂、性能更高”的战机来取代F-4。虽然一些美国空军高级将领对F-X变为兼顾对地和对空使命不满，认为这会削弱空战能力，但美国空军总部仍然坚持原有路线推进F-X项目。
1965年12月8日，美国军方向13家制造商发布了一份F-X项目要求提案（RFP），研究一种具备良好的空对空和空对地能力的战斗机，共收到了八家公司的反馈，在1966年3月18日，美军向波音公司、洛克希德、格鲁门和诺斯罗普授予了概念制定研究合同。在综合考虑航电设备、机动性、有效载荷、作战半径和速度等因素影响下，4家公司提出了大约200个方案，但是美国空军并不满意，认为这些方案在对空和对地两方面都很平庸。
1966年10月约翰·R·博伊德少校加入空军需求局战术部，并明确认为现有F-X设计均不合格。他根据自己的能量机动理论，在数学家托马斯·克里斯蒂的帮助下，使用大型计算机，制定出一整套战斗机的评价方法。按照这种能量机动理论评价方法，博伊德少校和研究团队设计了新F-X需求概念，例如重量略低于18.1吨，发动机涵道比为1.5，推重比为0.97，最高速度为2.3-2.5马赫，翼载为每平方米300-400公斤。1967年6月F-X项目完整的概念制定方案（CFP）公布。1967年7月苏联公开展示米格-25战机。随即美国空军在同年8月向七家承包商征求第二轮F-X概念提案，最终通用动力和麦道公司公司获得了合同。1968年8月美国空军对CFP方案进行了补充，重新确定空战仍然依靠机动性而不是仅仅依靠导弹。1968年9月，F-X项目获得了F-15的编号，由于美国认为13的数字不祥，因此美国海军选择F-14战斗机而空军选择F-15。
1968年9月30日，美国空军向波音、费柴尔德共和、通用动力、麦道等8家公司发布了请求提案（RFP），详细说明了F-15的设计要求，包括：低载荷的机翼、亚音速马赫0.9防颤振性能、高推重比、无需空中加油即可飞往欧洲、单座、4,000飞行小时寿命、驾驶舱具有360°的视野、无需地面设备自主启动发动机、最大起飞重量18.1吨、最大速度2.5马赫、装备下视/下射能力的远程脉冲多普勒雷达。最后只有4家公司在1969年6月提交了设计提案，还包括了预计成本和进度。1969年10月F-15计划办公室根据技术、后勤、作战和管理四个主要类别总共87个因素，选择了3个公司的提案。1969年12月美国空军正式将F-15的研发合同授予麦道公司。
麦道公司的设计提案编号为199-B，总共37000页，耗费250万人工时完成。当时的麦道公司F-15项目总经理唐纳德·马尔文领导了提案设计和随后的开发工作，马尔文的重要助手包括麦道公司公司设计部门负责人乔治·格拉夫和工程师兼前首席试飞员鲍勃·利特。1970年美国空军和麦道公司正式签订编号为F33657-70-0300的合同。这份146页的合同采用了成本加奖励费（CPIF）和固定价格连续目标（FPIS）的组合方式。合同规定麦道公司必须承担“全系统绩效责任”，纠正缺陷且不得调整价格。合同规划将生产749架F-15战机，其中432架装备6个空军联队，包括3个美国本土战术空军联队、2个驻欧空军联队和1个太平洋战区空军联队，另有108架用于过渡训练、54架用于指挥支援、12架用于测试，143架作为后备补充。
F-15的设计围绕着亚音速和高亚音速速度下空中格斗作战优化而展开，主要是提高升阻比（L/D）。由于以往的研究都是基于F-86战斗机这类早期喷气式战机展开，因此麦道为了研制F-15进行了大量新的研究，设计了800种构型并挑选其中107个在3个风洞中进行了10150小时测试。相比之下，F-4幽灵II战斗机战机风洞测试时间只有不到4000小时。
F-15在1970年9月通过了初步设计审查(PDR)，并于1971年4月成功完成了机身关键设计审查(CDR)。相对于原始的麦道F-15设计，CDR之后的设计更改包括：增加垂直尾翼的高度和面积，删除腹鳍，将水平尾翼和机翼后移12.7厘米，以改善飞机平衡；重新设计发动机进气口，上外缘进行改装；以及更对称的机头罩，以提高雷达性能。机身将由35.3%的铝、26.7%的钛和37.8%的复合材料和其他材料组成。
1968年8月，美国空军授予合同，让休斯飞机公司和西屋公司竞争F-X项目新型X频带脉冲多普勒雷达系统系统。在F-15合同授予麦道公司后，后者负责在两个竞争者中选择获胜者。1970年10月麦道公司授予休斯8200万美元的合同，用于设计、开发和测试F-15使用的新型雷达。
在1972年6月26日，第一架F-15A1-MC（编号71-0280）飞机从麦道公司的圣路易斯工厂下线。在圣路易斯下线后，第一架F-15A被分解并通过洛克希德C-5A运输机运往爱德华兹空军基地进行组装。1972年7月25日，编号71-0280的YF-15原型机在加利福尼亚州爱德华兹空军基地成功首飞。麦道公司的首席试飞员欧文·L·巴罗斯驾驶飞机达到了3600米高度和515公里/小时的速度，总共进行了50分钟的飞行。YF-15原型机涂装为“空优蓝色”，还带有橙色飞行测试标记，并具有方形翼尖和无缺口的水平尾翼。在第一个星期内，这架飞机进行了四次额外的飞行，总计4小时46分钟，飞行速度高达1.5马赫，飞行高度达到13700米。
麦道公司总共生产了20架F-15测试飞机中，其中12架（71-0280到0291）专门用于承包商测试（CDT\u0026E），而另外八架（72-0113/0120）则分配给空军F-15联合测试组（JTF）测试评估（AFDT\u0026E）。在测试中曾发现机翼颤振问题，解决方案是将翼尖改为倾斜式。另外水平尾翼也存在颤振问题，解决方法是在水平尾翼上切割了一个宽度为41厘米的区域来改变重心。此外飞机的减速板面积也增大了。总共F-15的飞行测试导致了38个工程设计变化，并都应用于第一架生产型飞机（编号73-0108）上，但是飞机的总体重量仅增加了85公斤。
1973年10月12日，1架八分之三缩比的F-15遥控模型从美国航空航天局1架 NB-52飞机上在13700米高度以175节的速度释放，开始了F-15失速和尾旋性能的测试。这次遥控模型飞行由NASA飞行员埃纳尔·K·埃内沃尔德森在地面站控制，飞行持续约八分钟。一共建造了三个F-15缩比模型，第三个模型的飞行控制系统比前两个模型更精细。这些无动力模型由麦道公司使用铝、木材和纤维玻璃制造，长度为7.25米，翼展为4.88米，重量约为1100公斤。
1974年初，麦道公司展示了“FAST”（燃料和传感器战术）组件技术。这是一种外置的燃料箱，可以通过标准的美国空军装弹机和简单的适配器安装在F-15的机身两侧。每个保形油箱能提供3.2立方米的空间。该设备后续成为F-15C/D和F-15E使用的保形油箱（CFT）的原型。
1975年，F-15的“初始作战测试和评估”（IOT\u0026E）和“后续作战测试和评估”（FOT\u0026E）的计划相继开始。30架生产型F-15战机被交付卢克空军基地进行测试，其中包括首架双座型F-15战机。这个阶段的目的是“验证生产型F-15A航空武器系统的作战效能和适应性”，评估可靠性和维修性能、确定操作的后勤和人力计划因素，并发现操作上的缺陷。此外为了测试机载雷达和导弹，F-15在美国军队多个基地进行频繁的战术对抗训练。“后续作战测试和评估”（FOT\u0026E）于1976年7月正式结束。
1979年2月26日，首架F-15C战机（编号78-468）实现首飞。随后在6月19日双座版本的F-15D（编号78-561）首飞。F-15C/D的主要改进是增加油箱容量和改进雷达电子设备。首先F-15C/D的机身油箱增加了917公斤燃料，机翼内置油箱向后延伸增加215公斤燃料，而增加的保形燃料箱（CFT）则能够新增4.4吨燃料。由于机体重量增加，对机身和起落架进行了强化。
1972年美国空军就认识到了F-15的多用途潜力。20世纪80年代初，美国空军开始寻找F-111战斗轰炸机的替代品，开始实施双用途战斗机（DRF）计划。为了限制成本，美军决定选择基于现有战机的改进型，结果是F-15E和F-16XL竞争，结果在1984年F-15E获胜。第一架生产型F-15E飞机于1986年12月11日首飞。虽然F-15E与F-15D非常相似，并保留了空对空能力，但该飞机针对空对地任务进行了优化。
2018年波音公司公司向唐纳德·特朗普政府推销最新的F-15X战机。F-15X有单座的F-15CX和双座的F-15EX型号，最终美国空军选择购买F-15EX双座型号。2021年2月2日，波音为美国空军建造的第一架F-15EX战机首飞。2021年3月10日，波音正式将第一架F-15EX战机移交美国空军。该战机基于波音为卡塔尔开发的F-15QA战机改进而来，使用了数字电传飞行控制系统、APG-82 AESA 雷达等新技术，主要用来替换已经老化的F-15C/D战机。美国空军意向采购数量为144架。
F-15在设计上比以前的战斗机更易于生产，采用大型整体锻件，节省了大量的生产工作量。项目管理办公室预计前五架F-15的生产时间为690000小时，但麦道公司只用了466000小时就完成了生产。第一架生产型F-15花费了69000个制造小时，以及额外的11000个小时的组装时间。相比之下，第一架生产型F-4需要589000个制造工时和35000个组装工时。
1972到1979年，美国麦道公司圣路易斯工厂总共生产了384架F-15A和61架F-15B。1979到1985年，该工厂生产了483架F-15C和92架F-15D。另外麦道公司圣路易斯工厂还从1979-1981年为日本自卫队生产了2架F-15J和12架F-15DJ。日本三菱重工授权生产了199架F-15J/DJ战机。
美国波音公司（包括合并的麦道公司）总共为美国空军生产了236架F-15E战斗机。在F-15E型战机的基础上，美国还向以色列出口了25架F-15I，向沙特阿拉伯出口了72架F-15S，向新加坡出口了40架F-15SG，向韩国出口了61架F-15K，向卡塔尔出口4架F-15QA（后续还有32架订单）。2021年4月，波音公司向美国空军交付第2架F-15EX战斗机。通过上述信息可以计算出美国建造（包括授权日本生产）各型F-15战斗机总共为1673架。
1976年1月，首批F-15A/B战机被交付给驻扎在兰利空军基地的第1战斗机联队，取代了F-4E战斗机。1979年，F-15C/D型号开始进入美国空军服役。1988年4月，第一批F-15E生产型交付给美国空军驻扎在亚利桑那州卢克基地的第405战术训练联队。在F-15引入之前的15年内，美国军队双发战斗机的平均失事率为10万小时10.5次，而单发战斗机的失事率则高达17.5次（不包括战斗中的失事）。截至1988年，F-15已累计飞行超过100万小时，平均每10万小时飞行中的重大事故率为3.27次，F-16战斗机的重大事故率为6.52次。到1995年，F-15的重大事故率降至每10万小时1.53次，而F-16的重大事故率为2.15次。这使得F-15成为当时美国空军最安全的战斗机。2011年，美国空军全部F-15A/B型战机退役。截至2019年，美国空军还装备249架F-15C/D型战机，以及219架F-15E型战机。
F-15是一种高机动性的单座双发制空战斗机，旨在应对已知和预期的空中威胁。该飞机气动布局是采用大型后掠固定翼、双垂直尾翼、双顶部斜板进气道以及升高的座舱，以确保良好的视野。F-15气动外形的设计目标是在各种任务和战斗性能目标范围内实现高气动效率，因此机翼的设计是最大的技术挑战。相比于过去战斗机强调巡航和高速冲刺性能，F-15的性能要求更为全面，包括抗颠簸载荷系数、最大马赫数、制空和护航任务半径以及起飞和着陆性能等等。为了解决大量不同设计点及其复杂相互作用的问题，F-15使用了全系统集成方法，利用计算机辅助设计与评估（CADE）程序将气动、推进、重量、几何和任务性能要求相互关联，通过迭代过程控制设计变量，以确定飞机的起飞总重、翼面积和机内载油，以满足设计要求。
F-15的机身分为三个部分。前部分由一个机头筒和两个垂直连接的侧面组件组成，几乎包含了所有的航空电子设备和80%以上的电线。驾驶舱区域的设计就考虑到了安装第二个座位或额外设备的空间增长，而无需进行大量的重新设计。中段机身则是从飞行员座舱后方延伸到发动机的前部，其中容纳了航空机炮系统、导弹设备和燃料。中段机身有一个桁架结构连接机翼，该桁架还负责承担两侧进气道。后机身部分是一个连续的钛合金结构，内含两台发动机，可以向后抽出进行更方便的维护。钛龙骨区域还充当了发动机之间的防火墙，并支撑着尾钩。TC4结构还有用于连接双垂尾和全动水平尾翼的安装孔。麦道公司利用一系列先进的材料和建造技术，设计了一个轻巧而坚固的机身，还进行了16,000小时的疲劳测试。相比之下，苏联米格设计局缺乏这些技术优势，只能使用不锈钢建造80%米格-25战斗机的机体，来承受3马赫速度飞行的高温。
F-15E的外部辨识特征包括：增大的主起落架门以容纳更大的轮胎组件；完全重新设计的尾钩无门；机身底部20毫米弹药弹鼓下方的小凸起；后机身支撑臂上两个AN/ALQ-135B雷达罩；以及引擎喷管之间重新设计的整流罩。
F-15机翼面积为56.49平方米，其弯度和厚度沿翼展方向发生变化。厚度比在暴露的根部为5.9%，在翼尖为3%。起飞和着陆时只有一个简单的后缘襟翼和副翼用于横向控制。为了减小翼展向弯曲力矩，采用了倾斜的翼尖。在0.9马赫下，F-15机翼的弧度在高升力系数下实现了理论上的最小阻力。在机动条件下，机翼在0.7升力系数实现了最小阻力。在超音速条件下，机翼弧度的折衷也有明显效果。尽管机翼一部分弧度会产生阻力，但可以被节省的重量所抵消。F-15的水平尾翼在高升力下，出现了非常理想的稳定俯仰力矩突变。在很大的飞行包线范围内，几乎达到了最佳的尾部载荷，而不会过分损害飞行品质或抵抗失控飞行。
F-15的机翼在设计时使用了3个风洞，测试时间超过22000小时。在0.9马赫的速度下，F-15优化后的机翼前缘未使用高升力装置，而是在13米的翼展长度内设计了较高的锥形弯度。F-4的翼载荷较低，只有273公斤/平方米，实现了每秒11.8度的转弯速率，仅比F-16战斗机低1度，并将着陆速度降低到220公里/小时。由于机翼与机身平行，可快速减少升力所带来的阻力，实现最大加速度。每个机翼的三根主桁架中的任何一根断裂时，机翼仍能承受大过载。
F-15使用两个完全独立的飞行控制系统。其中一个是传统的机械连杆系统，通过液压执行器连接到每个控制面，该系统为备份系统。主要系统是三重冗余的电传飞控（FBW）电子系统，这是美国首次在战斗机上应用这种技术。机械飞控和FBW系统通常一起工作，但任何一个系统单独都能够提供足够的飞行控制能力。弹簧装置提供模拟的回馈力给控制杆和脚蹬。弹簧装置带有修正执行器。横向杆运动使副翼、方向舵和稳定面定位，以提供滚转控制。副翼/差动稳定面偏转比则会根据不同的空速自动调整。亚音速时滚转比较高，超音速时则降低。FBW控制系统具有一定的自适应性，能够在受损或缺失的控制面上提供有限的补偿。
进气道具有可变几何形状，使飞机能够达到2.5马赫速度。进气道的平顶表面具有增加升力的作用，还提升了水平安定面的有效性。进气道角度由计算机化进气控制系统自动调节，每个进气口都由独立的进气控制器控制。进入的空气然后通过进气道“顶部”的三个自动可变斜板进行整形，其中包括旁通门和排气门。前两个斜板是穿孔的，允许空气通过滤过，而较长的后部部分则使气流在流经到涡轮面的过程中变得平顺。
F-15A/B/C/D型前轮采用22 x 6.6-10号轮胎，由固特异（Goodyear）制造，充气至260 psi。正常转向范围为±15°，机动模式下可达到±45度。主轮轮毂由本迪克斯制造，配备由固特异提供的34.5 x 9.75-18号轮胎，充气压力为340 psi。主起落架配备本迪克斯碳热散热刹车和Hydro-Aire防滑系统。由于F-15E的总重显著增加，它在所有三个起落架上使用本迪克斯轮毂和米其林AIR-X轮胎。前轮轮胎尺寸为22 x 7.75-9号论坛，主起落架使用36 x 11-18号轮胎。所有轮胎充气压力为305 psi。F-15E的主起落架舱门凸出明显，以容纳较大的轮毂/轮胎组件。
F-15的空中机动性要求很高，包括能在时速220公里的状态下进行环形飞行，在0.9马赫、5g加速度的转弯时不使用加力燃烧室，最高速度达到2.5马赫，并在不使用加油机的情况下飞跃大西洋，整个飞机的推重比要达到1，因此单台发动机的推力至少要达到10.4吨，而为了达到燃油经济性发动机应该采用轻质材料和小涵道比涡轮风扇发动机设计。
1968年4月，美国军方向通用动力艾里逊部门、通用电气（GE）和普惠（P\u0026W）发送了发动机研制的请求提案（RFP）。随后普惠公司的设计师理查德·科尔和R.T. 贝斯勒借鉴了他们1965年的JTF16发动机项目设计以及J58涡喷发动机，设计了YF100发动机，这种发动机比TF30轻450千克，推力增加约2.2吨，但燃油消耗基本不变，并具有更快的油门响应速度。而通用电气则研发了GE1/10发动机。1970年2月27日，普惠公司赢得了F-15发动机的合同，而通用电气则继续进行他们的设计，最终发展成为F404和F110发动机。
前五架F-15A使用了YF100发动机，在1972年2月用B-45试验机进行飞行测试。YF-100使用了三级风扇和十级压缩机，推力达到10.8吨。两个高压级和两个低压级涡轮取代了TF30的1个高压级和三个低压级，而较大的五段式加力燃烧室配备了“平衡梁”喷管。YF-100发动机广泛使用轻质钛合金和先进的冷却技术，涡轮前温度达到1370°C，整体压缩比达到23:1。但在1973年2月进行的150小时耐久测试中，YF-100发动机出现叶片失效的重大事故，整个加力燃烧室被炸飞。
但是为了F-15项目的进行，美国空军仍然在1973年3月批准有条件地生产F100发动机，前提是普惠公司要在1973年5月前完成150小时的耐久测试。为了确保普惠能通过测试，美国空军取消了耐久测试中的高马赫数和高空测试部分。虽然普惠公司在5月份完成了经过修改的测试，但却在国会内部和舆论中引起了轩然大波，几乎导致整个F-15计划被取消。最终普惠被迫在1973年10月12日通过了完整的、未经修改的耐久测试。但是在实际使用中，F100发动机仍然存在问题。
在F100-PW-100/200服役后，美国空军仍然发现很多问题。首先是关键发动机部件的磨损程度超出预期，一级涡轮叶片等部件经常发生故障。这是因为F-15在做大机动动作以及对油门杆的频繁推拉，F100-100发动机的温度与转速发生快速的变化，造成主要零件应力循环变化多，从而导致了部件在苛刻条件下过早损坏，出现大量故障。解决的办法是更加细心的维护和改善发动机部件制造的质量控制。其次是更严重的滞流失速现象。滞流失速通常发生在高攻角机动期间，即空气流动撞击喷气发动机的压缩机叶片的角度超过临界值，导致叶片将失速，切断空气流入燃烧室的通道。此外在高海拔和高马赫数时，发动机加力燃烧室启动也会引发滞流失速。在滞流失速发生时，飞行员需要关闭发动机并等待其减速，然后在涡轮温度降至可接受水平后尝试重新启动。这种解决方案尤其危险。此外F100-PW-100/200还增加了报警装置，加设火焰传感器检测燃烧室情况。在普惠改进F100-PW-100/200的过程中，F-15频繁被迫停飞，甚至到1979年美国空军只能接收一堆F-15机身来等待安装发动机。1976年，F-15每1000小时飞行时间中发生11-12次滞流失速。到1981年底，这个比例降低到1.5次。
美国空军与普惠公司在1975～1979年，在改善F100发动机的可靠性方面作了大量改进，但收效并不明显。为此美国普惠公司在1980-1984年，又投入2.83亿美元研制了性能降低但可靠性、耐久性、可维护性等提高的F100-PW-220发动机。该发动机推力和上代发动机一致，但重量增加推重比下降，引入了全功能数字式发动机电子控制器(DEEC)、单晶合金涡轮叶片、提高流量/压比的风扇、加力燃烧室先进燃油管理系统、长寿命的核心机/齿轮泵等先进技术。F100-220发动机可靠性和耐久性表现突出，热端部件(如涡轮叶片)累积工作7年后还像新的一样，工作20年后仍保持相当好的状态。
F100-PW-229发动机是在F100-PW-220发动机相同的结构尺寸下，利用发动机型号衍生计划（EMDP）研制的推力增大型发动机，于1991年投入使用。该发动机推力增加到13.2吨，推力的增大主要是依靠增大风扇和压气机的空气流量、提高压气机的压比和提高涡轮进口温度实现的。空气流量的增加和压比的提高是通过增加压气机的长度实现的。为消除增加压气机长度带来的负面影响，重新设计了中介机匣和采用浮动壁燃烧室来缩短长度。F100-PW-229使用钛合金转子轴电子束焊接、PWA1484单晶材料涡轮叶片、多区加力燃烧室和火焰控制技术、改进的电子控制系统等技术。F100-PW-229发动机的性能在整个飞行包线上比 F100-PW-220发动机的提高20％-30％，总增压比提高到32，流量提高到112.4公斤/秒，涵道比降为0.4。推重比达到8，检修间隔达4000个循环。
从20世纪80年代开始，通用电气的F110 发动机就被美国空军用来作为制衡普惠公司的杠杆。在F100-PW-100/200发动机可靠性不佳的背景下，美国空军使用F-15搭配F110 发动机进行测试活动。在20世纪90年代中期美国军队使用F-15搭载F110发动机进行了1900 多个飞行小时的现场服务评估。尽管美国空军F-15长期没有选择F110发动机，但从2002年开始外销的F-15开始大量采用F110发动机。2002年韩国进口的F-15K、2005年新加坡进口的F-15SG、2007年沙特阿拉伯进口的F-15S、2017年卡塔尔进口的F-15QA，都使用了F110发动机。2021年美军开始采购的F-15EX战机，使用的也是F110-GE-129发动机。F110-GE-129发动机继承了F110-GE-100发动机81％的零部件，只改进了少量的部件，使用新材料提高了涡轮进口温度（提高55～80℃）和定子和转子速度，增大了涡轮的压力；采用改进性能的全功能数字式电子控制器等。最终F110-GE-129发动机推力达到13.2吨，空气流量达到122.4公斤/秒，涵道比为0.76。
1974年初麦道公司展示了“FAST”外置燃料箱，可以通过标准的美国空军装弹机和简单的适配器安装在F-15的机身两侧，后来成为F-15C/D和F-15E使用的保形油箱（CFT）的原型。保形油箱是两个铝制的细长形油箱，安装时紧贴在 F-15两侧进气道外壁，从发动机进气道稍后一直到水平安定面翼根弦长约20％处。保形油箱长9.75米，横截面最大尺寸为66厘米X81.28厘米。两侧保形油箱的全部可用容积为6.43立方米，总共可载燃油4.5吨，而飞机机内载油量仅5.95吨，因此使飞机自载燃油的活动半径增大71％，空中优势作战半径增大1倍，空中巡逻时间延长了1.9倍。保形油箱采用了隔舱化设计，因此除了装载燃油还可以在外部安装挂点携带武器、瞄准吊舱、干扰设备等装备。
F-15安装有通用动力生产的M61A1型6管加特林机枪机炮，安装位置在飞机的右翼根部，在发动机进气口之后。线性无链式弹药储存容器垂直安装在飞机的中心线附近。线性无链式弹药供给系统在飞机允许的空间范围内提供高可靠性和最大弹药容量。F-15的M61A1型机炮总重349公斤，射速最高每分钟6千发。F-15A/B/C/D型机体内备弹940发，F-15E内备弹500发。
空空导弹：早期F-15A/B型战机装备4枚 AIM-7麻雀导弹“麻雀”雷达制导中距空空导弹和4枚 AIM-9响尾蛇导弹“响尾蛇”红外制导近距空空导弹。后期F-15C/D和F-15E装备4枚AIM-120导弹和4枚 AIM-9“响尾蛇”红外制导近距空空导弹，或全部挂载8枚AIM-120导弹。2023年1月的测试表明，最新的F-15EX战机由于增加了新的翼下挂点，具备携带12枚空空导弹的能力。而波音公司宣称的可以携带22枚导弹的说法更多是一种广告宣传，没有实际测试来支持这一能力。
空地武器：F-15E能够发射美国空军所有常规和带有核弹头的空对地武器。
反卫星武器：20 世纪 70 年代末，美国应对苏联反卫星武器威胁，开发了 ASM-135 反卫星导弹。ASM-135 设计为从 F-15A 进行空中发射，为此载机的任务计算机和平视显示器经过修改。1985 年 9 月 13 日，威尔伯特·D·“道格”·皮尔森少校驾驶F-15A战机在11600 米、1.22 马赫、3.8G的过载中发射了一枚 ASM-135 反卫星导弹，摧毁了555公里高度的P78-1卫星。美国空军计划对驻扎在华盛顿哥伦比亚特区麦科德空军基地的第 318 战斗机拦截机中队和驻扎在弗吉尼亚州兰利空军基地的第 48 战斗机拦截机中队的 20 架 F-15A 战斗机进行改装，以执行反卫星任务。到 1988 年该项目被取消时，两个中队都对机身进行了改装以支持 发射ASM-135。
美国军队认为F-15A需要一种新的具有下视下射能力的远程脉冲多普勒雷达系统。与休斯飞机公司研制的AWG-9雷达不同，休斯研制的F-15的AN/APG-63雷达，使用了各种承包商提供的设备，质量控制由麦道公司负责。APG-63雷达兼顾近中远距离搜索，能与AIM-7麻雀导弹、AIM-9响尾蛇导弹导弹和航空机炮等不同武器结合。雷达以X频段频率工作，前方扫描距离为240公里，在方位角上覆盖战斗机两侧各60度的空域，仰俯角可达中心线的上下正负10度。它可以同时发射和分析高脉冲重复频率（High-PRF）和中脉冲重复频率（Medium-PRF）的混合信号。这意味着飞行员接收到两种类型的数据，以帮助定位和跟踪目标。高脉冲重复频率能达到每秒10,000个脉冲，对于探测远距离高速正向接近的目标特别有效。对于F-15追击或从非正面以外的任何角度接近目标，高PRF几乎无用。在这种情况下，长程搜索（LRS）模式混合了中等PRF，这对于跟踪变化速度或方向的目标更好，并且能够更好地对抗地面“杂波回波”。
后期AN/APG-63用可编程序信号数字处理机（PSP）来代替原来的固定程序处理机。PSP体积为30立方分米，采用由软件控制的并行运算逻辑线路，每秒可以执行1亿次操作。PSP可以显著地降低远程导弹进入战斗的时间，可充分利用战术平面上的雷达作用距离，可同时对多个敌方目标实施攻击，还能以不连续的信息对多个目标进行跟踪。
APG-63可以使用L波段天线对潜在敌对“目标”进行IFF识别，1980年代增加了非合作目标识别（NCTR）功能，用于识别没有IFF标识的目标，并在1991年海湾战争期间首次使用。APG-63雷达还具有合成孔径雷达地图测绘模式，可用于导航和雷达偏置投弹。来自机鼻91厘米直径的雷达天线，以每秒70度的扫描速度将雷达测绘画面显示在飞行员的抬头显示器（HUD）或多功能导航指示器上。后来多功能导航指示器改为垂直态势显示器（VSD）。处理和过滤后的信号能显示更清晰的图像。
由于设计局限，APG-63雷达没有多余能力来升级软件以应对日益增多的威胁，后期的F-15C/D开始换装APG-63(V)3有源相控阵雷达、F-15E换装APG-70雷达。APG-63(V)3使用在APG-79中应用的新一代“瓦片”型T/R模块和新型阵列电源,还有(V)1的接收机/激励器、模拟信号变换器、雷达处理器和低压电源，提高了雷达的分辨力并增强了系统性能。
AN/APG-70型X波段脉冲多普勒雷达系统是一款适用于空对空和空对地任务的多模式雷达，探测距离为185公里。作为F-15E战斗机AN/APG-63雷达的升级版，APG-70具有更高的可靠性和更易于维护的特点。门阵列技术使 APG-70能够实现早期雷达所不具备的模式，同时在其他模式下提供增强的操作能力。AN/APG-70 可以在超视距到近距离、低至树顶高度的范围内检测和跟踪飞机和小型高速目标。雷达能将目标信息自动输入飞机的中央计算机，以实现有效的武器发射。对于近距离缠斗，雷达会自动捕获敌机并将这些信息投射到驾驶舱平视显示器上。
2011年，F-15E雷达现代化计划（RMP）启动，其原有的APG-70机械式雷达将被雷锡恩公司研制的APG-82(V)1有源相控阵雷达代替。第一架接受 AN/APG-82雷达升级的空军F-15E于2014年 6月首飞。APG-82雷达将 APG-79 雷达的处理器与F-15C/D 上的 APG-63(V)3有源相控阵天线结合在一起。新雷达包括一个宽带天线罩，使雷达阵列能够在更多雷达频率上运行，并对环境控制和电子战（EW）系统进行了改进。APG-63 的电源与 APG-82 非常相似，但前者有四个其他单元。APG-82 只有两个配套装置，因此APG-82的可维护性和可靠性更好，这相当于降低了雷达维护成本。此外，APG-82是一款四通道雷达，有扩充到六通道的能力而APG-63V3是一个两通道雷达，增长潜力有限。雷达通道数量越多，检测和显示目标所需的时间越快，抗干扰能力越强。另外美国军队新采购的F-15EX战机也采用APG-82(V)1雷达。
1980年9月，美国洛克希德马丁公司作为承包商，开始研制低空导航和目标红外系统（LANTIRN）。LANTIRN 导航吊舱的初始操作测试和评估于 1984 年 12 月成功完成。空军于 1985 年 3 月批准了吊舱的低速初始生产，并于 1986 年 11 月进行全速生产。第一个量产型吊舱在1987年3月31日交付给美国空军。LANTIRN包括两个吊舱：1 个 AN/AAQ-13 导航吊舱和 1 个 AN/AAQ-14 瞄准吊舱。导航吊舱主要子系统是 Ku 波段 (AN/APN237A)、宽视场 (WFOV) 前视红外传感器以及必要的计算机和电源。地形跟踪雷达帮助飞行员自动避开地形和躲避防空系统，前视红外传感器将生成的图像投影到 HUD 上，帮助飞行员在完全黑暗或战场烟雾中飞行。瞄准吊舱的主要子系统是另一个前视红外传感器和激光指示器/测距仪。两者都安装在 AN/AAQ-14 的可移动机头部分，前视红外传感器可以独立瞄准以放大选定的目标，然后图像被输入驾驶舱内的多功能平视显示器内，用于识别远距离的地形特征和/或目标。系统还会将目标数据传递到飞机的火控计算机（FCC）中。激光指示器可以“照亮”的攻击的目标。它还可用于自动跟踪地面上的移动目标。激光的另一个用途是确定地标的准确距离，以便更新飞机的惯性导航系统。这对于发射制导和非制导弹药至关重要。美国从2000年开始还研发了LANTIRN 2000以及LANTIRN 2000+等改进型号，红外探测能力更强，导航吊舱取消了。
LITENING 高级瞄准 (AT) 是一种安装在F-15外部的精确瞄准吊舱系统。瞄准吊舱包含一个高分辨率、第三代中波前视红外传感器（FLIR），可向机组人员显示目标的红外图像。它具有宽视场搜索能力和窄视场捕获/瞄准战场大小目标的能力。该吊舱包含一个电荷耦合装置或 CCD-TV 相机，用于获取目标可见图像。该系统将多光谱功能与高分辨率、中波、第三代 FLIR 和 CCD-TV 结合在一起，同时还有用于发射激光制导弹药的激光指示器和用于精确定位目标坐标的激光测距仪。最早的LITENING I型吊舱是以色列拉斐尔公司为以色列空军开发的。1995 年，诺斯罗普·格鲁曼公司与该公司合作进行改进。2003年 LITENING 高级瞄准 (AT) 吊舱已经全面装备 美国F-15E等空军主力战机。
2001年8月，洛克希德马丁公司研制的“狙击手”攻击吊舱被美国空军选为先进瞄准吊舱，为现役空军部队的 F-16战斗机 和 F-15E飞机提供吊舱。“狙击手”吊舱于2005年1月首次在海外部署在F-15E飞机上。“狙击手”吊舱是一个独立的传感器和激光指示器系统。红外摄像机可在白天和热对比度低的条件下使用，可以与夜视镜兼容。瞄准系统的灵敏度是现役的“LANTIRN”系统的3倍，成本减少了40％，可靠性达98％，平均无故障时间为600小时。吊舱内所有传感器，共用一个127毫米孔径光学系统，前视红外传感器（FLIR）、昼用电视摄像机、激光测距机指示器、激光光斑跟踪器（LST）和激光标识（Marker）等传感器均装在一个具有6个隔振器的台上。“狙击手”吊舱光学系统采用独特的楔形设计，避免了球形头部和空腔因气流诱导而产生振动的可能( 特别是在超声速飞行状态下) 。其激光光斑跟踪仪还可以利用另一架飞机的激光器进行瞄准，并投放精确炸弹。美国军队已经开始为“狙击手”吊舱加装数据链，可以将图像等信息通过数据链传给地面部队，为其提供战场环境信息。
F-15内置的电子战装置在1977年才开始装备，而此时战机已经服役3年。因此作为过渡措施，F-15A一开始采用了外置吊舱实施电子战措施。由于影响空战性能，F-15A取消了外翼挂点电子战的设计，采用中线挂点而携带AN/ALQ-119(V)-17电子战吊舱，一些早期出口型F-15使用AN/ALQ-119(V)-15型吊舱。后期雷锡恩公司还为F-15研制了AN/ALQ-184(V)，它具有更高的可靠性和较大的有效辐射功率。但F-15并不经常携带这类吊舱，因为它们会造成过多的气动阻力并占用宝贵的挂点空间。
F-15的内置电子战系统被称为战术电子战系统（TEWS），主要包括AN/ALR-56雷达告警系统、AN/ALQ-135电子战套件（ICS）、AN/ALE-40/45箔条干扰系统（CMD）和AN/ALQ-128电子战警告系统（EWWS）。2020年战术电子战系统（TEWS）开始被被动主动告警生存系统（EPAWSS-Passive Active Warning Survivability System）代替。
AN/ALR-56雷达告警接收机：F-15A时期为ALR-56A型，后期F-15C、F-15E为ALR-56C型，该装备主要通过安装在机翼尖和垂直尾翼上的四个高频段天线以及机鼻下方的低频段天线进行监听。其功能是接收和分析来自其他飞机、地对空导弹系统或地对空炮兵的威胁信号，并将数据与内部的威胁信号库进行比对，以识别威胁信号并选择合适的应对措施。计算机的速度和容量的提升使得ALR-56能够同时处理越来越多的威胁信号，随后ICS系统将根据告警信息的优先级提供选择性干扰。威胁警告通过显示器、警示灯和耳机音频进行显示。显示屏以字符ICON形式显示与飞机相关的威胁类型和方位，并告知飞行员该威胁是否已被系统扫描或锁定。
AN/ALQ-135电子战套件（ICS）：该系统既能与ALR-56配合使用，也可以自主运行，选择最适合的频率和信号调制方式，以对抗敌方地对空导弹和战斗机雷达，阻止它们获得准确的目标信息或下行指令引导。它可以使用软件进行编程调整，并可以同时处理多个波形。ALQ-135安装在飞行员后方，包括三个放大器和三个控制振荡器/励磁器，用于产生干扰辐射，而干扰天线主要安装在机鼻下方和机鼻起落架前后。早期F-15A和F-15C装备的AN/ALQ-135电子战主要覆盖E到G和G到I两个雷达频段，主要干扰苏联SA-2、SA-6地空导弹和高射炮雷达。而后期F-15E和F-15C则安装了ALQ-135B型，雷达覆盖频段增加了H-J雷达频段，主要干扰SA-8地空导弹。F-15E的干扰天线安装在机翼根部和尾翼两侧，而F-15C的干扰天线安装在机头风挡前方和主雷达雷达罩底部后方。2000年后F-15使用的AN/ALQ-135进一步升级，实现了E到J雷达频段的完全覆盖。
AN/ALE-40箔条和闪光弹反制措施发射器（CMD）：F-15配备了AN/ALE-40箔条和闪光弹反制措施发射器（CMD），后来升级为ALE-45标准。该系统受ALR-56的控制，包含四个发射器。一架常规的F-15E携带120发箔条和24发MJU-10闪光弹。发射器位于F-15的腹部，在主起落架舱前方。闪光弹用于干扰像A-11“射手”这样的红外制导空空导弹，以及像SA-7或SA-9等便携式防空导弹或车载式地对空导弹。箔条的是干扰半主动或主动雷达制导空空导弹。
AN/ALQ-128电子战警告系统（EWWS）：AN/ALQ-128电子战警告系统早在F-15的服役初期就进行了安装，扩展了ALR-56所提供的覆盖范围，能够提供对敌方战斗机活动的精确警告，并帮助区分友方和敌方战斗机，从而在空对空交战中帮助确定优先攻击目标。该系统设备安装在左侧垂直尾翼上方的一个吊舱中，天线安装在左侧机鼻上，与机表面齐平。
主/被动预警生存系统 (EPAWSS)：未来F-15E和F-15EX则装备了由 BAE 系统公司提供的 AN/ ALQ-250 鹰式主/被动预警生存系统 (EPAWSS)。EPAWSS 是 F-15 系列战机电子战系统 的最重要的升级。EPAWSS 集成了多 谱传感器和对抗措施、先进的信号处理算法、全固态数字电路技术和人工智能算法，能够从复杂的背景信号中识别有威胁的信号并提供完全集成的雷达预警、态势感知、地理定位和自我保护能力，从而在高对抗环境下帮助飞行员对敌方防空系统的攻击进行有效监控、干扰及欺骗。EPAWSS还可以通过人工智能技术对所收集到的信息进行分析和学习，具备应对新型防空设备的能力。此外，EPAWSS能够兼容主动相控阵雷达，可在不干扰雷达工作的前提下进行电子战。
F-15座舱使用单片式全封闭挡风玻璃，比三片式设计更多的视野面积，重量减轻32%。气泡式座舱罩由7.4毫米厚的聚碳酸酯制成，并具有耐磨涂层。这种材料比层压树脂玻璃轻29%，比钢化安全玻璃轻56%。座舱罩由两个部分组成，中间有一个小框架将两个部分分隔开。双座型号的座舱罩具有不同的轮廓，以提供第二名机组成员更多的头部空间。单座和双座F-15使用IC-7或ACES-II弹射座椅。座椅上方的前上部分别安装有两个弹射控制手柄。座椅左后部有一个储氧瓶，可提供10分钟的紧急氧气供应，并在弹射时自动激活。
F-15的抬头显示器（HUD）视野约为20°×20°，能显示飞行操作、拦截和攻击目标所需的信息，此外还包括磁航向、空速、气压高度、速度矢量、过载数和马赫。根据选择的模式（空对空、空对地、降落等），还会显示其他信息。F-15E的HUD则采用了改进的宽视野设计（25°×40°）。
F-15A/B和早期的F-15C/D采用传统的飞行和武器仪表。早期的F-15B/D双座型后舱和前舱布局相同，只增加了一个对讲控制面板。改进后的F-15C/D的前座舱中增加了多功能彩色显示器（MPCD）屏幕和可编程武器控制装置（PACS），以替代原有的武器控制面板。D型的后座舱包含飞行控制装置和必要的飞行仪表。F-15E的前后座舱内总共配备了四个多功能显示器（MPD）和三个多功能彩色显示器（MPCD）。前座舱内有两个MPD，一个MPCD，后座舱有两个MPD和两个MPCD。MPD以单色格式显示系统数据、传感器视频和武器信息。MPD配备了20个外围按键，机组成员可以通过这些按键控制航空武器系统、传感器和要显示的数据。每个按键旁边都有说明文字，用于向机组成员提示可选择的模式和选项，以操作机载雷达、FLIR、导航和武器系统。MPCD以单色或多色方式显示传感器和武器视频，并覆盖符号、警告读数和导航数据。各种显示的内容和组织可以通过前控杆上的多功能开关或后座右手控制杆来控制。
F-15C座舱的控制杆由手柄和力传感器组成，包含六个功能：自动驾驶/前起落架转向解除开关、前起落架转向/武器按钮、扳机、武器释放按钮、修正开关、自动捕获按钮。F-15E的前舱控制杆还增加了用于控制FLIR的开关。F-15D后座舱的控制杆只有四个控制：自动驾驶/前起落架转向解除开关；武器释放按钮；修正开关和加油释放按钮。F-15A前舱节流阀上的开关包括：方向舵修正、襟翼操作、麦克风、减速板操作、取消目标指示、武器模式、目标指定和天线高度调节。F-15C和F-15E的前舱节流阀还增加了一个用于控制箔条/红外弹幕释放的开关。F-15E前舱节流阀还增加了激光指示器控制开关和多功能开关。F-15B/D后舱节流阀上的控制包括方向舵修正、减速板操作和麦克风。F-15E的后座舱还在每个控制台内前内侧部分配备了一个手柄控制器，用于传感器/显示控制。
最新的F-15EX前后舱将各采用一个10x19 英寸的新型全玻璃“大面积显示器”（LAD）并配有红外 [IR] 触摸显示屏。飞行员和武器系统官可以根据个人喜好设置不同的显示器显示方式。飞行员可以用裸露或戴手套的手指操纵显示屏，或者通过点击和移动各个窗口来移动它们。在高过载飞行状态，飞行员可通过HOTAS控制杆来控制显示器上的光标。F-15EX的抬头显示器（HUD）尺寸将缩小，因为未来飞行员更多的依赖头盔显示器而不是HUD来获取信息。
美国：截至2022年中期，美国空军总共拥有186架F-15C/D型战机，其中168架F-15C型战机，18架F-15D型战机。截至2019年，美国空军拥有F-15E型战机219架。2021年4月，波音公司向美国空军交付第2架F-15EX战斗机。
日本：截至2022年，日本自卫队总共拥有F-15J/DJ战机200架，其中F-15J型战机155架，F-15DJ型战机45架。
以色列：截至2022年，以色列空军总共拥有84架F-15战机，其中F-15A/C/I型战机66架，F-15B/D型战机18架。
沙特阿拉伯：截至2022年，沙特空军总共拥有F-15C/S/SA型战机211架。
新加坡：截至2022年，新加坡空军拥有F-15SG战机40架。
卡塔尔：截至2022年，卡塔尔空军拥有F-15QA战机4架。
1979年6月27日，以色列空军的F-15战机使用“怪蛇-3”空空导弹击落叙利亚空军1架米格-21战斗机。这是F-15首次击落敌机。在1979年6月27日和9月24日的两天战斗中，以色列F-15战机总共击落了叙利亚军队8架米格战斗机21战斗机。1980年，以色列F-15击落叙利亚3.5架米格-21战斗机（其中和1架F-4E共享战绩）。1981年以色列使用F-15击落叙利亚2架米格-25战机。在1982年的贝卡谷地空战中，以色列F-15总共击落叙利亚空军18架米格-23战斗机、16架米格-21战机。1985年11月以色列F-15又击落叙利亚2架米格-23战斗机。
1984年沙特空军F-15击落1架伊朗F-4E战斗机。1991年沙特F-15击落伊拉克2架“幻影”F1战机。
1991年海湾战争期间，美国军队F-15战机摧毁伊拉克共和国卫队米格-29战机5架、米格-25战斗机战机2架、米格-23战机7架、“幻影”F1战机6架、 米格-21战机2架、苏-25攻击机战机2架、苏-17攻击机战机4架、苏-7战机1架、伊尔-76运输机1架。1999年北大西洋公约组织轰炸南斯拉夫联盟共和国期间，美国空军F-15战斗机击落南联盟4架米格-29战斗机。
沙漠风暴行动：1991年1月17日沙漠风暴行动开始后，美军第一批24架F-15E和第二批21架F-15E战机先后进入伊拉克西部搜寻攻击伊军的飞毛腿导弹发射车。1月18日，在对巴士拉附近一家汽油和润滑油工厂的袭击中，一架F-15E在敌方火力中失事，2名飞行员丧生。F-15E机组人员称这次任务是战争中最困难、最危险的任务，因为这里有前苏联sa-3导弹、SA-6、SA-8防空导弹以及高射炮的严密防守。两天后，第二架也是最后一架 F-15E 被伊拉克一架飞机击落SA-2；机组人员幸存下来，并连续几天躲避抓捕，并与联军飞机取得了联系，但由于一名飞行员未能使用正确的代码表明自己的安全问题，救援行动并未启动。伊拉克后来俘获了两名飞行员。美国军队有4架F-15E使用GBU-27/28激光制导侵彻炸弹12和CBU-55/B油气子母炸弹87炸弹摧毁了伊拉克塔利尔空军基地地面上的 18 架喷气式战机。1991年2月14日，一架F-15E通过攻击吊舱的前视红外系统，投下了一枚910公斤的GBU-10炸弹，直接命中的240米高空的伊拉克共和国卫队1架米-24直升机。这是海湾战争期间美军F-15E唯一一次击落空中目标。
伊拉克禁飞区行动：沙漠风暴之后，伊拉克上空设立了两个禁飞区。一次一架 F-15E 观察到伊拉克直升机袭击了多达 600名库尔德难民。由于不允许开火，F-15E尽可能靠近伊拉克直升机的地方进行了多次高速飞越干扰其飞行，同时将激光瞄准直升机的驾驶舱，试图致盲其机组人员，最终导致了一架伊军米-24直升机坠毁。美军第 391 战斗机中队、第 492 战斗机中队和第 494 战斗机中队的 F-15E在整个 90 年代定期部署到土耳其。1993年1月，伊拉克违反停火协议，美军10 架 F-15E 进行了惩罚性打击。1998年12月，伊拉克拒绝特委会视察，美国军队实施了“沙漠之狐”行动。1998 年 12 月 28 日，三架 F-15E 击中了伊军SA-3雷达跟踪雷达和光学制导装置，每架均投下两枚GBU-27/28激光制导侵彻炸弹12型精确制导弹药 。沙漠之狐行动后，伊拉克频繁侵犯禁飞区，F-15E多次进行报复性打击。
巴尔干地区行动：由于巴尔干地区局势恶化，1993年8 月，第 492 和 494 飞行中队的 F-15E 部署到意大利阿维亚诺。1993 年底，北大西洋公约组织下令 F-15E 对乌比纳机场进行有限打击，目标是邻国克罗地亚的塞尔维亚军队。1993 年12 月，F-15E 出动摧毁了2部SA-2防空导弹，因为这架 SA-2 曾向两架英军“海鹞”战机开火。1995年8月，第90战斗机中队的F-15E也部署到巴尔干地区。2年中第 492 中队和第 494 中队的F-15E飞行超过 2,500 架次，其中 492 中队飞行了 2,000 架次。1995 年 8 月，F-15E 对波黑首都萨拉热窝周围的塞尔维亚装甲部队和后勤部队执行了打击任务。1999 年3月科索沃危机期间，26 架美军F-15E 对塞尔维亚地对空导弹基地进行了盟军的首次打击、防空炮台和预警雷达站。在战区内，F-15E 执行近距离空中支援(CAS) 任务，每次任务通常持续约 7.5 小时，包括两次空中加油。
阿富汗战争：2001年911袭击发生几周后，第 391 战斗机中队F-15E就部署到科威特艾哈迈德贾比尔空军基地，以支持阿富汗战争的持久自由行动。F-15E在最初的任务中几乎没有遇到阻力。第一波攻击主要使用AGM-130导弹和GBU-15制导炸弹攻击阿富汗塔利班军事建筑、补给站、基地组织训练营和洞穴，而GBU-24和GBU-27/28激光制导侵彻炸弹28 用于攻击加固目标、指挥和控制中心以及洞穴入口。战斗行动开始后几周内，几乎所有目标都已被摧毁，F-15E甚至因此缺乏可打击的目标。在战争的剩余时间里，F-15E常见的目标是使用炸弹攻击个别叛乱分子、轻型车辆和补给车队。
伊拉克战争：2002年底，在因怀疑伊拉克拥有大规模杀伤性武器期间，美空军第四战斗机联队一个中队的F-15E就准备部署到波斯湾。2003年1月，第 336 中队的F-15E部署到卡塔尔乌代德空军基地。F-15E预先攻击了伊拉克南部和西部的目标，包括雷达、广播电台、指挥和控制站点以及防空系统。一天晚上，四架 F-15E 向巴士拉的伊拉克共和国卫队/复兴党总部发射了多枚GBU-24 ，而另一架四架 F-15E 则用六枚GBU-10炸弹摧毁了附近的防空总部。2003年3月，第335与第336战斗机中队F-15E战机会合，负责摧毁伊拉克靠近约旦边境的防空系统和预警雷达网络。3 月 20 日战争爆发后，F-15E 向巴格达的通信、指挥和控制建筑以及其他关键目标发射了 AGM-130 导弹；一些武器未命中预定目标，可能是由于附近EA-6徘徊者式电子作战机 徘徊者的干扰。2003年4月3日，一架F-15E将美国军队1部M270多管火箭炮系统误认为伊拉克地对空导弹发射场，并投下一枚230公斤激光制导炸弹，造成三人死亡、受伤另外五个。2003 年 4 月 7 日，一架F-15E 执行了一项支持世界十大特种部队的关键拦截任务，被高射炮火击落2名飞行员阵亡。战争期间，F-15E 被认为摧毁了伊拉克麦地那共和国卫队总兵力的 60%，他们还击中了地面 65 架米格战斗机。
打击ISIS“坚定决心”行动：从2014 年“坚定决心”行动开始以来到2017年5月，美国军用战斗机、战略轰炸机和无人机已投掷了超过 67,333枚炸弹或导弹，其中F-15E投放武器14995件，超过总数的20%，接近于F-22战斗机投弹量的10倍，超过B-52轰炸机和B-1B战略轰炸机的投弹量。
截至2023年12月，F-15总共发生220次事故，其中机体完全坠毁的事故192次，其余等级事故28次。F-15机体完全坠毁的192次事故中，美国空军坠毁148次，沙特空军坠毁23次，以色列空军坠毁10次，日本自卫队坠毁10次，韩国空军坠毁1次。
2024年7月，美军发生大规模泄密事件，包括F-15在内的大批美军装备的机密性能手册被放到互联网上供人下载，其涉及的关键武器信息非常完整。截至2024年7月11日，五角大楼未对此事做出回应。
2024年7月16日，俄罗斯国防部表示，第一个击落乌克兰武装部队F-15战斗机的俄罗斯军人将获得1500万俄罗斯卢布（约合123万人民币）的奖金。
F-15A：美国空军和以色列空军最初使用的F-15空中优势型战机。
F-15B：F-15A的双座战斗教练型号。
F-15C：美国空军、以色列空军和沙特阿拉伯空军最初使用的改进型F-15空中优势型战机。
F-15D：F-15C的双座战斗教练型号。
F-15E：F-15的双座对地攻击型号。
F-15EX：美国空军采购的最新双座F-15型号，主要用来替换已经老化的F-15C/D战机。
F-15I：以色列空军使用的F-15的双座对地攻击型号。
F-15J：日本空中自卫队最初使用的F-15空中优势型战机。
F-15DJ；F-15J的双座战斗教练型号。
F-15K：韩国空军进口的双座对地攻击型号。
F-15N：F-15的舰载机型号，后由于改舰载机增重幅度过大而取消。
F-15QA：卡塔尔空军使用的F-15的双座对地攻击型号。
F-15S：沙特空军使用的F-15的双座对地攻击型号。
F-15SA：沙特F-15S型战机的改进型号。
F-15SG：新加坡空军使用的F-15的双座对地攻击型号。
F-15 STOL/MTD：1984年美国空军授予麦道公司合同，开发F-15短距起降/机动技术演示机，型号简称为F‑15 STOL/MTD。1991 年 8 月 15 日，麦道公司在完成其飞行目标后结束其项目之前，该项目使用2D推力矢量喷嘴和鸭翼前翼来提高低速性能，在1991年8月项目结束之前，取得了一些研究成果。该机在1993年被NASA购买，换装了F100-PW-229发动机并加装了3D推力矢量喷嘴。1993年后，NASA使用该机先后作为集成载具先进控制技术验证机（F-15 ACTIVE）和智能飞行控制系统 (IFCS) 和升力和喷嘴变化对尾震的影响 (LaNCETS)等研究项目的空中试验台，最后该机在2009年退役。