Eagle awalnya dipersenjatai dengan empat rudal dipandu radar AIM-7 Sparrow untuk serangan jarak jauh dan empat rudal inframerah AIM-9 Sidewinder untuk pertarungan jarak pendek.
Dalam perang udara di atas Vietnam, F-4C Phantom tidak memiliki meriam hingga kesulitan ketika melakukan pertarungan jarak pendek serta kesulitan untuk melihat musuh di bawahnya. Kelemahan ini diperbaiki dalam F-15 dengan melengkapi pesawat dengan gatling gun 20 mm Vulcan M61 yang dipasang internal.
F-15 juga dirancang untuk bisa terbang jauh. Membawa tiga tangki bahan bakar dengan kapasitas 600 pon pon, F-15 memiliki jangkauan 3.000 mil, sehingga memungkinkan untuk terbang dari benua Amerika Serikat ke Eropa tanpa berhenti atau tanpa pengisian bahan bakar di udara.
Hal ini akan memungkinkan untuk mengirimkan pesawat secara cepat guna memperkuat pertahanan udara NATO jika terjadi krisis di Eropa. Selain itu juga memungkinkan Angkatan Udara untuk segera mengirimkan F-15 ke Arab Saudi selama Operasi Badai Gurun.
Prototipe F-15 terbang pertama pada tahun 1972, dan produksi serial dimulai pada tahun 1973. Pesawat dengan cepat mulai mengisi Angkatan Udara AS dan negara-negara sekutu termasuk Israel, Jepang dan Arab Saudi.
F-15 mencatat keberhasilan membunuh pertama pada tanggal 27 Juni, ketika pilot ace Angkatan Udara Israel Moshe Melnik menembak jatuh MiG-21 Angkatan Udara Suriah. Melnik dengan menggunakan F-15A dan F-15C milik AU AS berhasil menembak jatuh 11 pesawat musuh sepanjang kariernya.
Keberhasilan Melnik menjadi adalah awal dari kemenangan besar F-15. Pesawat ini mencapai 104 kali kemenangan dengan tidak ada satupun yang ditembak jatuh.
F-15 Israel, Saudi dan Amerika bertanggung jawab pada jatuhnya MiG-25 Foxbat, MiG-21 dan MiG-23 Suriah, dan sejumlah serangan darat.
Selama Perang Teluk 1991, F-15 Amerika dan Arab merontokkan sejumlah jet tempur Irak termasuk MiG-29 Fulcrum, Mirage F-1 dan bahkan pesawat transportasi Il-76. Sebuah F-15E Strike Eagle juga membunuh sebuah helikopter serang Mi-24 Irak dengan bom yang dipandu laser.
F-15A akhirnya digantikan dalam produksi dengan F-15C, yang termasuk radar aperture sintetis AN / APG-70 dan mesin baru F100-PW-220. Program terbaru, dijuluki Golden Eagle. Dan 178 pesawat dalam kondisi fisik terbaik menerima baru radar AESA APG-63V3 dan Joint Helmet Mounted cuing System, yang memungkinkan akuisisi target secara cepat dengan peluru kendali infra merah.
Pada akhir 1980-an, F-15E dikembangkan untuk melengkapi dan akhirnya menggantikan bomber tempur F-111 sebagai pesawat serangan penetrasi kecepatan tinggi yang dirancang untuk menyerang jauh di belakang garis musuh dalam scenario perang NATO melawan Pakta Warsawa di Eropa.
Model E menambahkan tangki bahan bakar konformal untuk meningkatkan jangkauan dengan payload bom berat, radar APG-63, dan pod penargetan inframerah LANTRIN dan pod penargetan. Dengan pensiun dari F-111, F-15E “Strike Eagle” kemudian memainkan peran sebagai bomber tempur taktis Angkatan Udara.
