歼-15战斗机的原型是前苏联苏霍伊设计局在苏-27的基础上研制的单座双发舰载战斗机——苏-33。
苏-33的结构和苏-27S基本相同，为了改善飞机的升力特性，提高短距离起飞性能，对苏-33专门进行了改进设计。
该机的机身结构与苏-27基本相同，都由前机身、中央翼和后机身组成。为了满足舰载机采用拦阻方式着舰时所需要承受的5g纵向过载，对苏-33机身主要承力结构进行了加强。前起落架支柱直接与机身主承力结构联接，加强了前起落架的结构强度，并且改用了双前轮。主起落架直接联接在机身侧面的尾梁上，通过加强的结构和液压减振系统，使主起落架可以承受在舰上拦阻着陆时6～7米／秒的下沉率。尾钩组件安装在强化的中央桁梁上，为保证飞机在大迎角状态下在舰上起、降的安全性，缩短了尾锥的长度，用电子设备代替了苏-27尾锥中的减速伞，尾钩连杆设置在尾锥的下方。
机翼部分改动比较大，苏-33增加了主翼的面积，并且把苏-27后缘半翼展的整体式襟副翼改为机翼内侧的2块双开缝增升襟翼，在机翼靠近翼尖部分设置有副翼。通过增加的双开缝增升襟翼，提高了苏-33的机翼升力。在外翼内侧的2块双开缝增升襟翼之间的位置上安装有机翼折叠机构，通过折叠机构把外翼分为固定翼段和可折叠机翼2部分，通过布置在机翼折叠机构开缝处后段的液压做动筒控制机翼的打开和折叠。
当初试验时，采用与苏-27相同气动外形的T-10-3虽然可以在航空母舰上降落，但是由于加强飞机的结构和改进了防腐蚀措施，使飞机的结构重量比苏-27增加了11%左右。这样造成虽然T-10-3在航空母舰上的最大起飞重量有H吨，但除了飞机本身的重量外，燃料和弹药的装载重量只有4吨，这样是根本无法进行作战的。如果要提高有效负荷就必须增加滑跑距离。为了在航空母舰起飞甲板距离有限的情况下解决这个矛盾，必须采取相应的技术措施来提高苏-27舰载型的整体升力。
苏-33从后期的原型机开始就增加了可动的前翼结构，苏-33新增加的前翼设计十分出色，前翼的偏转角度为＋7°~-70°，只能同向偏转而不能差动，前翼与主翼安装在相同平面上。通过加装的前翼和使用数字化电传操纵系统，使苏-33的纵向安定度放宽到15%平均气动弦长，比苏-27的5%有了很大程度的提高。小型的前翼与边条共同作用可以形成一个可控涡系，提高飞机的俯仰操纵性能。通过增加的前翼形成的可控涡流的作用，把苏-33的升力系数在苏-275的基础上又增加了近0.2(意味着短距起降能力有所提高)。
与瑞典“萨伯”-39以及类似的采用鸭式布局的战机相比，苏-33的前翼设计并不具备鸭式布局飞机的气动特点，只能同向偏转的前翼所起到的是可控边条的作用。苏-33的边条翼面积较大，并且提高了翼身融合度。为了充分利用前翼和边条共同作用所形成的有利于扰，苏-33在设计中对前翼的位置和控制方式都进行了长时间的试验。
苏-33的垂直安定面高度比苏-27略有增加，提高了飞机的方向安定性，使苏-33在侧风条件下的起降性能有所提高。水平尾翼布置位置和结构与苏-27相同，为了保证舰上使用对空间的限制，水平尾翼在与主翼折叠处相同的位置也设置有折叠机构，可以在舰上与主翼一起折叠起来，主翼和尾翼折叠后的宽度相同，减少了苏-33在航空母舰甲板上所占的面积，相应增加了甲板上的战机容量。大家知道，受航母甲板面积的限制，不可能将全部战机都停放在飞行甲板上，大部分战机被停放在舰体内，一旦需要，这些停放在舰体内的战机可通过升降机提升到飞行甲板，但这需要很长的时间。所以，对舰载机采用折叠机翼可在甲板上尽可能多的布置战机数量，有利于紧急战备情况下有更多的飞机能够升空作战。另外，必要时苏-33的机头雷达罩也可以进行折叠。