机身
F-15 机身为全金属半硬壳式结构，分为三段。前段包括机头雷达罩、座舱和电子设备舱，主要结构材料为铝合金。中段与机翼相连，前三个框为铝合金结构，后三个为钛合金结构。后段为发动机舱，全钛合金结构。
进气道外侧有凸出的整流罩，从机翼根部前缘向前延伸，大迎角下可以产生涡流，推迟机翼失速和提高尾翼效率，相当于边条翼，但由于整流罩前缘半径较大，具有较大吸力，气流不易分离，其效果不如边条翼好。整流罩结构经过机翼向后延伸，形成尾部支撑桁架（尾撑）结构，除了提供尾翼安装空间外，大迎角下还能产生一定的低头力矩，改善飞机的大迎角性能。
单块式减速板位于机身背部，最大开度 35 度，可以在任何速度下打开，并不会改变飞机的俯仰姿态。
F-15 的机尾采用双发小间距布局，减小了飞机阻力。
机翼
F-15 采用的机翼方案为：切尖三角翼，无前后缘机动襟翼，采用前缘固定锥形扭转设计。前缘后掠45 度，机翼相对厚度为6%/3%（翼根/翼尖），展弦比为3，根梢比为5，翼面积56.48 平方米，下反角1°，安装角0°。机翼上仅有后缘高升力襟翼和副翼共4个操纵面。
F-15 采用切尖三角翼翼形的原因是三角翼在改善机翼结构、增大机内容积方面有较大优势，同时可以使飞机在跨音速区的阻力增加变得更加平缓，飞机跨音速时焦点移动量也较小，减小了配平阻力。
为了改善飞机亚音速性能，F-15 采用了前缘固定锥形扭转设计，而没有采用当时已经得到普遍应用的前缘机动襟翼??这种设计主要是从重量、制造工艺和系统复杂性方面考虑的。
机翼采用高达 3 的展弦比，配合较小的根梢比，有利于推迟翼尖分离，明显减小了机翼诱导阻力；同时较大的展弦比提高了机翼升力线斜率，改善了机翼升力特性。这和能量机动理论中减阻增升的要求是一致的。当然，展弦比增大，超音速零升阻力系数也增大，增大了跨/超音速的波阻。这个缺点，则利用强大的发动机推力和其它方面的设计来弥补。
机翼结构为多梁抗扭盒型破损安全结构，前梁为铝合金，后三梁为钛合金。内侧整体油箱的下蒙皮采用钛合金壁板，其余为铝合金机加工整体壁板。机翼前后缘、襟翼、副翼均为全铝蜂窝夹层结构。机翼的破损安全结构，配合承力蒙皮，只要有一根翼梁仍然完好，就可以支持飞机继续飞行，大大提高了飞机的生存能力。
尾翼
垂尾采用大展弦比、中等后掠角设计，前缘后掠角 37°，外倾 2°，高度较大，大迎角下可以明显改善飞机的航向稳定性，从而保证 F-15 可以有效的进行大迎角机动。
F-15 的平尾为大后掠全动式低平尾设计，前缘后掠角 50°，具有前缘锯齿和翼尖斜切设计。
F-15 垂直安定面和平尾都是全金属蜂窝夹层结构。两者的抗扭盒为钛合金结构，蒙皮则是全厚度铝夹芯和硼纤维层合板构成的蜂窝壁板，前后缘为全铝蜂窝结构。方向舵梁肋为碳纤维复合材料，蒙皮则由硼纤维层合板和铝夹芯构成。平尾和方向舵均可以左右互换。
发动机
正在测试的F100-PW-100发动机
发动机是 F-15 的另一个关键。普拉特.惠特尼研制的 F100-PW-100 发动机加力推力高达 11,340 公斤，为 F-15 的优越性能提供了坚实的基础。这是一种轴流式涡扇发动机，涵道比 0.7，双轴 3 级风扇+10 级高压压气机+2 级涡轮。该发动机设计相当先进，推重比 7.8，可以左右互换安装，在理想条件下拆卸时间只需要 20 分钟。
航电设备
F-15 装备了大型脉冲多普勒（PD）雷达，以提供先敌发现的优势。战术电子战系统（TEWS）提供威胁告警信息。平显和双杆操纵系统（HOTAS）则大大减轻了飞行员搜索、跟踪、攻击目标时的操纵负担，并简化了操纵程序。
为 F-15A 设计的是 AN/APG-63 全天候多模式雷达系统。APG-63 雷达工作在 X 波段，探测距离远，具有下视下射能力。探测信息自动送往中央计算机，并和计算结果一起实时反馈给飞行员（通过平显和下显）。APG-63 具有多种对空工作模式，可以根据不同的搜索方式或选择的交战模式来选择不同的脉冲重复频率（PRF）：远程搜索，使用中/高 PRF，根据飞行员选择的搜索距离（18.5~296 公里）确定 PRF，以期获得较好的迎头和尾追搜索效果；速度搜索，使用高 PRF，专用于迎头高速接近的目标；近距搜索，使用中 PRF，用于格斗时为响尾蛇导弹和航炮提供数据，具有 16、32、64 公里三种探测范围，可以跟踪多个目标。作为以上三种模式的备份，APG-63 还有一种非 PD 模式，使用低 PRF，只能提供上视能力??因为非 PD 模式无法过滤地面杂波。此外，APG-63 还有多种提供特殊功能的模式，包括：信标模式，用于向空中飞机的敌我识别系统（IFF）发射询问信号；手动跟踪模式，作为自动跟踪模式的备份；被动模式，用于监测外部雷达辐射信号，同时自身只发送微弱脉冲，以尽可能减小自我暴露的可能性；地图测绘模式。
1973 年，APG-63 雷达投入使用。1979 年，该雷达装备了可编程信号处理器（PSP），这是 PSP 首次在机载雷达上应用。这使得系统通过软件编程就可以适应新的战术、使用模式以及武器系统，而无需进行大规模硬件改进。1986 年，APG-63 停产，共生产大约 1,000 台，装备所有 F-15A/B 型和早期 F-15C/D 型。但是 APG-63 并不完善。其平均维修间隔时间（MTBM）不到 15 小时。对该系统的航线可更换件（LRU）的技术支持日益困难。原因之一是很多部件采购困难，而采用新技术部件则往往要求重新设计系统而被迫放弃。另一方面，持续恶化的可靠性影响了飞机的部署。如果航空站没有二级维修能力，就无法对雷达故障提供技术支援。此外，由于设计时的局限，APG-63 事实上没有多余的处理能力和存储能力来升级软件，应付日益增大的威胁。为此，从 F-15C/D 后期型开始换装 APG-70 雷达。美军地勤人员检修F-15C的APG-63(V)1雷达
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