Накануне нового 1949 года самолет был полностью собран и в начале января началась наземная подготовка к первому полету.

11 января 1949 года Г.М. Шиянов поднял самолет Су-15 в воздух. Первые полеты выявили недоведенность гидросистемы, что не обеспечивало надежную эксплуатацию самолета и выполнение ТТТ. Кроме того, эффективность элеронов на малых скоростях не укладывалась в принятые нормы, а выпуск тормозных щитков создавал большой пикирующих момент. Работы по устранению этих недостатков растянулись до конца испытаний.

К тому же в ряде полетов, начиная с седьмого, наблюдалась незначительная тряска самолета, возникавшая при М>0,87. По мере повышения числа М интенсивность тряски несколько возрастала, достигая максимума при М=0,94, а при еще больших значениях М - ослабевала. Эта тряска носила мягкий характер и на рулях почти не ощущалась. Для выявления ее причин испытатели совместно со специалистами лаборатории № 3 ЦАГИ установили контрольно-записывающую аппаратуру (КЗА). В нескольких полетах были получены осциллограммы колебаний хвостового оперения, крыла и элеронов. Анализ их результатов свидетельствовал о том, что вибрации носили нерегулярный характер, при этом оперение практически не вибрировало, а максимальная амплитуда вибрации концевых частей консолей не превышала 1,5 мм.

В то же время обработка полетных данных показала, что вибрации указанного характера возникали независимо от величины скоростного напора и только после достижения определенного значения числа М. Приборная скорость начала возникновения вибраций менялась в диапазоне от 570 до 830 км/ч. При достижении тех же приборных скоростей, но при меньших числах М тряска не наблюдалась.

К концу мая были выявлены основные летно-тактические характеристики самолета, и оставалось сделать 12-15 полетов для их корректировки, связанной с установкой переднего форсированного двигателя РД-45Ф (Р=2270 кгс), задний РД-45Ф установили в начале года. С этими двигателями планировалось достигнуть М=1,02.

В связи с затянувшимися заводскими испытаниями самолета Су-15 и для ускорения сдачи его на госиспытания, приказом МАП от 28 мая 1949 года вторым летчиком-испытателем был назначен летчик ЛИИ МАП С.Н. Анохин.

В очередном полете 2 июня, С.Н. Анохин, выполняя разгон самолета на высоте 5000 м при скорости 790 км/ч, обнаружил подергивание педалей, перешедшее на скорости 805 км/ч в общую тряску самолета. При уменьшении скорости до 780 км/ч тряска прекратилась. Этот режим не был зафиксирован КЗА, так как летчик не включил самописцы. Анализируя полет, специалисты пришли к выводу, что данная тряска не может быть связана с числом М, так как в предыдущих полетах при скорости 805 км/ч на высоте 5000 м и при М=0,86 тряска отсутствовала. Необходим был повторный полет.

На следующий день (3 июня) при выполнении этого режима скорость была доведена до 825 км/ч, но тряска, имевшая место накануне, не повторилась. С.Н. Анохин приступил к выполнению следующего пункта полетного задания - разгон до максимальной скорости на высоте 2000 м. Вот как он описывает этот полет в донесении, представленном аварийной комиссии: «...снизившись до высоты 2000 м, я довел скорость до 400 км/ч по прибору... и начал выполнять вторую площадку... В районе Воскресенска самолет достиг скорости 870 км/ч, в это время появилась тряска педалей управления рулем направления, которая мгновенно передалась на самолет. Я сразу же убрал сектор управления двигателем полностью, но тряска не исчезла, а достигла еще большей частоты. Я нажал кнопку рации... и передал на старт, что самолет вошел во флаттер..., самолет же вел по горизонту, не создавая ему перегрузок. Через некоторое время частота тряски уменьшились, но амплитуда колебаний возросла и сопровождалась очень большими ударными нагрузками на всю конструкцию самолета.

Стрелки приборов послетали, и мне казалось, что вся приборная панель разрушилась. Правый пульт тумблеров начал сильно искрить, кабина наполнилась запахом горелой резины. Скорость самолета достигла малой величины... Он шел со снижением, руль высоты был взят на себя почти полностью, по всей вероятности, самолет находился в режиме парашютирования. Тряска не прекращалась. Тогда я увеличил обороты двигателей (дав сектора в среднее положение); через короткий промежуток времени тряска снова достигла прежней высокой частоты. Я снова убрал сектора, и тряска приняла другой характер (частота колебаний уменьшилась). Тогда я выключил бустерное управление, тряска не прекращалась, а усилия от рулей стали очень большими, пришлось снова включить бустерное управление. Я пробовал увеличить поочередно обороты заднему и переднему двигателям, но это не изменило положения. От тряски фонарь открылся и остался в полуприподнятом положении. Вслед за этим кабина самолета начала наполняться дымом. Я принял решение покинуть самолет, так как положение стало катастрофическим.

Воспользоваться катапультой я не решился, т.к. при этом фонарь сбрасывался отсосом потока и он мог не сброситься вследствие возможного в таких условиях заклинения. Закрыв стоп-краны, я отстегнул ремни, слегка потянул за рукоятку аварийного сброса фонаря. Фонарь сорвало, но я был отвязан и катапультироваться уже было поздно.

Когда я бросил управление, самолет резко пошел на нос. Зацепившийся за кабину, парашют некоторое время держал меня у фюзеляжа самолета, но с ростом скорости меня сорвало. Парашют открылся, приблизительно, на высоте 600 м.

С момента возникновения тряски и до покидания самолета все управление самолетом работало нормально. Самолет слушался рулей. Управление не вырывало...».

Самолет упал в районе населенного пункта Бронницы, разрушился и частично сгорел. (По свидетельству очевидцев, огонь и дым в полете не наблюдались).