经过多次调研，进入最后选考的机种为F-14和F-15两种，但就在防卫厅得出最终结论之前的1976年（昭和51年）9月6日，发生了震惊世界的别连科驾机叛逃事件，因F-15对于高速低空目标可以进行有效拦截的能力，使得防卫厅和航空自卫队在F-14和F-15当中选择了后者。日本引进的F-15战斗机，由三菱重工公司为总承包商按照美国许可证进行全机的组装和部分部件的生产，生产单座的F-15J型战斗机和双座的F-15DJ战斗教练机，该机现已停产。至停产为止，连同因各种事故报废的机体在内，航空自卫队共装备了单座型F-15J计165架（其中2架为美国原厂机，8架为根据美国部件组装机，其余为日本国产机）、双座型F-15DJ计48架（其中12架为美国原厂机，8架为根据美国部件组装机，其余为日本国产机）。
　　航空自卫队的F-15J/DJ，其规格与美国F-15C/D早期型相似，该机的主要系统与美国战斗机相同，但与美国空军自用型不同的是，机上并无左侧垂尾顶端的战术电子战系统(TEWS)和两侧机翼翼梢前方、两垂尾顶端后部4个雷达告警天线，因此日本自己研发了J/ALQ-8型电子支援系统（只装备J型）和J/APQ-1型雷达预警接收机等小型电子战装备（极初期因研制进度过慢，前者于1983年度采购机体开始加装，后者从1987年采购机体开始加装，此前生产的各机则在年度返厂检修时加装）。因引进机的原型较为落后，航空自卫队在1980年代中期参照美国空军对F-15C/D进行的多阶段改良升级计划（缩写为MSIP），制定了本国的J-MSIP计划，计划的主要内容是：安装Link16数据链、机载中央计算机的升级换代，座舱内武器控制面板从传统仪表更换为多功能显示器。但并不是所有的F-15J/DJ都进行J-MSIP升级，只有从1987年度预算开始（含1987年度）采购的机体（6位生产编号中后4位为8899～8965的F-15J和8088～8098的F-15DJ）才进行此计划。为了区别进行了J-MSIP计划的机体，未升级的旧机称为Pre-MSIP机，但Pre-MSIP机中的8832号在1991年着陆时因起落架故障导致机体与跑道接触，在返厂大修时按照J-MSIP标准进行了改装。

除J-MSIP计划外，航空自卫队还对机载电台进行了升级，初期型号装备的AN/ARC-164特高频（UHF）电台统一升级为后期型号使用的AN/ARC-182甚高频/特高频（V/UHF）电台，同时搭载了同航空自卫队防空管制系统相连接的J/ASW-10数据链；从1984年度采购的8958号F-15J开始，在右垂尾根部加装延伸至盘口后方的J/APQ-1后方雷达告警接收机；从1991年度开始，在新生产的机体上安装更换了数字燃油控制系统的新型F100-IHI-220E型发动机，而此前生产的使用F100-IHI-100发动机（电子燃油控制）的机体，在发动机到达使用年限后进行返厂大修期间更换220E型发动机。

从1997年度开始，空自还对J-MSIP标准机体的F-15J/DJ进行名为“近代化改修”的中期改进工作，首架完成改进工作的12-8929号F-15J于2003年10月交付空自岐阜飞行开发试验团进行各项测试和试飞，并从2004年度开始，对现有机体开始进行改装。然而随着日本周边国家空军实力的增强，原改进计划已经落伍，于是空自在原改进计划基础上又推出了新计划，为了区分新旧，将原计划称之为“I型”，新计划称之为“II型”。

形态I型的改进内容：
　　安装新型飞行记录仪
　　安装改进型弹射座椅
　　安装新型中央数据计算机
　　提高通讯设备的抗电子干扰能力(WuQi.ttCx.Net）
　　换装新型发电机和空调、制冷系统
　　雷达由APG-63型换装为APG-63(V)1型
　　具备发射99式(AAM-4)中距空空导弹的能力
　　预留北约标准战术数据交换系统所需设备空间和内部布线
　　形态II型的改进内容（在形态I型基础上进行）：
　　安装综合电子战系统
　　安装北约标准战术数据交换系统
　　干扰弹发射装置从AN/ALE-45J型换为AN/ALE-47型
　　为飞行员配备04式（AAM-5）近距空空导弹配套的头盔瞄准具