Уже в 1967 г. в ходе четырех автономных пусков началась летная отработка экспериментальных ракет К-98М, при этом они еще комплектовались рулями от штатной К-98. В 1969 г. был выпущен эскизный проект по К-98М, завершился выпуск технической документации, две баллистические ракеты испытали пусками с наземной пусковой установки, провели восемь облетов ракет, а также выполнили огневые стендовые испытания ПРД-143 в объеме, достаточном для проведения летных испытаний. В 1970 г. осуществили пуски восьми автономных и четырех «радийных ракет». Кроме того, по приказу Минавиапрома от 14 сентября 1970 г. было подготовлено техническое предложение по аналогу американской ракеты «Шрайк» — К-98МП («изделие 58»), предназначенной для поражения станций наведения зенитных комплексов «Хок» и других наземных РЛС. В следующем году в соответствии с постановлением от 14 сентября ПКПК была задана разработка противорадиолокационной ракеты Х-59 — так стало именоваться «изделие 58». Была выполнена увязка противорадиолокационной ракеты с самолетами фронтовой авиации МиГ-21, МиГ-23, Су-17. Исходя из условий размещения на этих носителях размах крыла ракеты уменьшили с 1228 до 800 мм. Однако в марте 1972 г. тему создания легкой противорадиолокационной ракеты передали из московского ПКПК в калининградское КБ «Звезда», где вскоре разработали ракету Х-27ПС на базе ранее созданных этим коллективом Х-23 и Х-25.
Заводские испытания Т-58 второго этапа модернизации — самолета 0006, переоборудованного из серийного Су-15 № 05–48 и получившего наименование Су-15Т, начавшиеся в конце января 1969 г., выявили необходимость основательной доработки РЛС. В начавшихся в мае государственных испытаниях наряду с самолетом 0006 был задействован с апреля 1970 г. и модифицированный серийный Су-15 № 01–05 с усовершенствованной РЛС «Тайфун-М», обеспечивающей применение также и ракет К-98М. В отработке участвовали летчики В.И. Мостовой, Э.М. Колков, В.В. Мигуев, С.А. Лаврентьев.
С появлением РЛС в модификации «Тайфун-М» выпуск Су-15Т был сокращен в пользу скорейшего внедрения в серию Су-15ТМ. Государственные испытания Су-15Т завершились в июне 1970 г., а в сентябре вновь начались применительно к Су-15ТМ. Помимо уже упомянутых перехватчиков, включая получивший РЛС «Тайфун-М» самолет 0006, в них участвовали и первые серийные Су-15ТМ № 03–02 и 03–03.
В 1971 г. завершился первый этап государственных испытаний. В ходе операции «Кристалл-71» при показе авиационной техники партийным и государственным руководителям пуском четырех ракет успешно сбили обе мишени Ил-28. С другой стороны, по результатам 18 пусков по Ла-17 и беспилотным МиГ-17 выявилась неудовлетворительная работа неконтактного взрывателя «Филин». Его заменили на модернизированный радиоканал от комбинированного радиооптического взрывателя «Аист», ранее предназначавшегося для ракеты К-40.
В следующем году с 17 апреля начался второй этап государственных испытаний. Доработанные ракеты успешно сбивали Ла-17 и беспилотные Ил-28-помехопостановщики. Нехватка мишеней определила задержку завершения испытаний до начала следующего года. Всего на этом этапе с самолетов Су-15ТМ № 03–02 и 03–03 по Ту-16, Ил-28, МиГ-17, Ла-17, скоростной высотной мишени КРМ, парашютным мишеням РМ-8 и ПРМ-1 выполнили 46 пусков К-98М, 36 из которых было зачтено. По одному МиГ-17, Ил-28 и Ла-17 были сбиты прямыми попаданиями, Ил-28 и Ла-17 — поражены разрывом боевой части. В остальных зачтенных случаях замеренный аппаратурой промах телеметрических ракет не превышал радиус поражения боевой части.
В апреле 1973 г. госиспытания завершились с рекомендацией о принятии на вооружение, началось серийное производство Су-15ТМ и ракет К-98М. Однако соответствующее официальное оформление последовало только спустя без малого два года, по постановлению от 21 января 1975 г. Новая модификация перехватчика получила наименование Су-15ТМ, радиолокатор — РП-26. Усовершенствованные ракеты обозначались Р-98М. Они отличались от своих предшественниц большей помехоустойчивостью и расширенными зонами пуска.
Для подтверждения эффективности новых ракет К-98М в составе вооружения ранее выпущенных перехватчиков Су-15 с РЛС «Орел-ДМ» в 1975 г. были проведены соответствующие испытания на самолете № 14–01. В частности, для ракет с «радийной» ГСН обеспечивалась максимальная дальность пусков в передней полусфере до 24 км и диапазон высот поражаемых целей от 2 до 21 км при их скорости до 2500 км/ч. Дальность пусков в заднюю полусферу не увеличилась. При атаке в заднюю полусферу скорость целей, летящих на высоте от 0,5 до 24 км, могла достигать 1600 км/ч.