歼15的结构改进集中在材料和生产工艺上。80年代苏联缺乏先进的钛合金加工能力,所以后机身钛合金大框只有采用电子束焊接方式拼合,焊缝强度远低于整体锻件,严重影响结构强度和疲劳寿命。而随着技术的进步,大型机床发展带来的好处,中国已经可以生产苏27系列飞机的整体钛合金大框,极大地增强了结构强度,在提高过载能力的同时也提高了飞机的使用寿命。继承了苏-27家族的内置油箱,歼-15不需要采用副油箱转场航程就可以超过3000公里,在最大内油配置情况下,飞行阻力也不会增加,空出来的挂点可用于挂载各种精确制导武器,具有最高的作战灵活性。
苏-27系列战斗机采用的АЛ-31Ф发动机是苏联基于70年代技术水平研制的战斗机用发动机,基于当时的高温材料水平,该发动机选用了压比较低的压气机系统和较低的涡轮前温度以保证可用性,取得了较好的效果。但是该机的轴系设计有较大缺陷,АЛ-31Ф发动机压比低、涡轮前温度低,导致其油耗在第三代涡扇发动机中偏高。而歼-15配备的中国现有WS-10“太行”涡轮风扇发动机,推力达到了132千牛,约合13500千克,远大于АЛ-31的12800千克最大应急推力,更有利于起飞操作。发动机推力上升,也有助于提高飞行性能,估计歼-15战斗机的爬升率等性能可以接近陆基苏-27S的水准。
歼-15的武器系统应该和现役歼-11B、歼-11BS相似。但由于是海军型号,因此会更强调对海攻击能力,尤其是具备强大的使用反舰导弹能力。歼-15可以携带使用现所有国产精确打击武器,如霹雳-8/9近距空对空导弹、霹雳-12主动雷达制导远距空对空导弹、鹰击-91超音速远程反舰/反辐射导弹、鹰击-8空对舰导弹、KD-88远程空地导弹的对海上目标版本、飞腾-2型反辐射导弹以及“雷石”系列制导炸弹等,而且可以使用和俄制苏-30战斗轰炸机配套引进的各种俄制精确打击武器如Kh-59ME远程防区外空地导弹。由于载弹量大,还可以使用重型反舰导弹如国产的鹰击-62或俄制KH-41“白蛉”。除此之外,歼-15安装有一门30毫米机炮。
本世纪初中国在航空电子领域发展较快,机载相控阵火控雷达、玻璃化座舱、数据链、主动雷达制导空对空导弹已经在歼-11上面运用。而之前苏-33的航电系统已经严重不适应现代战争的需求。而中国从80年代起,通过与西方交流和自身努力,积累了丰富的航电工程经验。与歼15同系列的歼11B战斗机已经采用了先进的带综合特征的联合航电系统,所以歼15的航电系统至少会与歼11B相当,达到西方90年代末的水平。歼-15未来还有更进一步采用带有第四代战斗机特征的综合航电,包括有源相控阵雷达。