1983年2月，F-15的多级别改进计划启动，第一种改进型MSIP F-15C于85年出厂。改进计划包括升级中央计算机；换装具有重编程能力的火力控制装置，这使得F-15能够使用AIM-7、AIM-9、AIM-120A的改进型号；换装新的战术电子战系统，包括ALR-56C雷达告警接收装置和ALQ-135对抗装置。MSIP的最后四十三架战斗机换装了休斯APG-70雷达。

F-15C, D and E models were deployed to the Persian Gulf in 1991 in support of Operation Desert Storm where they proved their superior combat capability with a confirmed 26:0 kill ratio. F-15 fighters accounted for 36 of the 39 Air Force air-to-air victories. F-15Es were operated mainly at night, hunting SCUD missile launchers and artillery sites using the LANTIRN system.

F-15的C、D、E型在91年的海湾战争中取得了26比0的空战佳绩，充分证明了这一系列战斗机的超人作战能力。整个海湾战争中，F-15在盟军取得的36次空战胜利中占了其中36次。F-15E主要在夜间出动，借助LANTIRN吊舱，F-15E执行了大量攻击伊拉克弹道导弹发射车和炮兵阵地的任务。

They have since been deployed to support Operation Southern Watch, the patrolling of the UN-sanctioned no-fly zone in Southern Iraq; Operation Provide Comfort in Turkey; in support of NATO operations in Bosnia and Yogoslavia, and recent air expeditionary force deployments.

F-15还参与了伊拉克南北禁飞区的巡逻任务和北约在前南地区的军事行动。

到1992年底停产时，麦道公司共生产各型F-15 1224架(F-15E 209架)。日本还专利生产了172架F-15J/DJ。至1992年底以色列共接收了81架F-15A/B和C/D。沙特共接收了98架F-15C/D，其中有22架是美国1990年8月的紧急援助。

随着时间推移，F-15虽然战斗力仍优于大多数现役战斗机，但机体结构略显老态。2002年3月军方已建议更换F-15的所有垂直翼面，以补救慢性水浸入、裂纹和孔洞扩展等老化问题。空军正设法为F-15的垂直翼面改装新型部件，改进修理工艺，以减少两次计划基地维护之间的现场维修工作。

2002年4月雷神公司获得价值1.16亿美元的合同，为F-15机队提供23套新型APG-63(V)1雷达。交付时间定于2004年12月。

2004年3月，洛克韦尔·科林斯公司已获得美空军一项合同，升级F-15的通信系统，以支持国土防御任务。这项升级工程将使该飞机能更敏捷地从事国土安全活动。按照这项新合同，罗克韦尔·科林斯公司将采用多频无线电替代该机现有的军用单频无线电。该多频带无线电能提供甚高频（VHF）通信，可直接同民用航空空中交通管制当局和民用飞机通信联系。该合同将向空军交付最多810部无线电，其中大部分工作正在罗克韦尔-科林斯公司的工厂完成。罗克韦尔-科林斯公司政府系统部通信系统副总裁兼总经理Brune King说：“增加这种新型无线电，对于美空军和空中国民警卫队的F-15飞行员是一项重要的改进，因为它将使飞行员在执行国土安全任务时，直接同民航团体协调。另外，该无线电还保持了它所替换的原无线电的所有军用频带能力，因此它也保持了同美国其他军事部队和联军的互用性。”由于世界上已部署了14000多部无线电，所以在所有美国和国际军事部队范围内，AN/ARC-210产品系列已成为多频带、多模无线电的公认标准。该无线电已装备世界上130多个型号飞机。

下图为F-15D前后座。

2004年3月，美空军部长罗奇表示空军也考虑使F-15C/D具备对地攻击能力。主要原因是在伊拉克战争中，用于制空的F-15C没有用武之地，而美海军却在F-14上安装了传感器吊舱及相关武器用于对地攻击。美空军计划用“金鹰”来命名改进后的F-15C。F-15C的对地攻击能力改进研究正由美空军的空战司令部（ACC）、F-15系统项目办公室（SPO）及空军参谋部进行。其中，SPO进行可行性研究和技术分析，ACC则研究潜在价值。根据去年完成的一份初步报告，这项改进工作将采取螺旋式发展方式，分四个阶段进行。报告中采取了一系列假定：改进179架F-15C、1760数据总线、926千米作战半径及1297千米作战半径。F-15C/D的潜在对地攻击武器包括JDAM、“宝石路II/III”系列激光制导炸弹。雷达改进及传感器吊舱都在考虑之中。美空军已有18架F-15C装备了雷声公司APG-63(v)2有源相控阵雷达，目前正在考虑为整个F-15C机群装AESA雷达的事宜。美空军在2005财年预算申请中，要求拨款5730万美元进行F-15C/D的精确空对地装备的研发。

2004年10月，美国空军表示第三师第12和第19中队的F-15C战斗机飞行员现在已经在用APG-63(v)2有源相控阵雷达进行值班飞行。虽然这种雷达的大部分性能数据还是保密的，但是作为世界上第一部在战斗机上执勤的AESA雷达，即雷声公司制造的APG-63(V)2雷达可以探测到90km以外的小型巡航导弹和隐身飞机，而在这个距离上原来的F-15C雷达只能发现常规尺寸的有人驾驶战斗机。五角大楼的雷达专家用另外一种说法，即F-15C的原装雷达在90km处发现的目标，对于X波段的AESA新雷达V2而言，在180km处即可发现同样的目标。APG-63(V)2雷达的优点还不止是增加了作用距离和分辨率，更重要的是它具有同时跟踪多个目标的能力。因为要打击的目标，即巡航导弹大多数情况下是采用多发齐射方式。F-15C原雷达一般情况下只能对一个，最多两个巡航导弹进行跟踪；而APG-63(V)2雷达可以同时以更高的精度跟踪多个目标，并制导多枚先进中距空空导弹（AMRAAM）实施攻击。