2009年8月，歼-15进行了首次飞行测试。除复合材料外，结构上采用自行研制还有折叠机翼连接部分、起落架、武器挂架、着舰尾钩、雷达告警天线等，其中起落架为双轮结构并做了加强处理，但未有弹射起飞的处理，武器挂架采用了国产挂架以迎合国产武器的挂载，其中翼尖挂架的改动较大。
2011年4月25日，第二架歼-15原型机进行了飞行测试。迄今为止，中国制造了约7架歼-15验证机；美国媒体估计，歼-15在2016年前不会正式部署[5]。
2011年年中，互联网信息显示歼-15采用了新型涡扇H改进型涡扇发动机。该型发动机是由涡扇10发动机发展而来的。起飞推力提高至12,800千克（125.4千牛），改善了加速性，使到其具有更为敏捷的推力瞬变能力和速度响应特性，满足了舰载战斗机于起飞、复飞或逃逸性能上的需求，并且保证了比陆基发动机更强的抗畸变能力。[6]551、552、553、555、556、557号原型机装备俄制AL-31发动机sep.3型两台，单台最大后燃器推力125千牛，应急起飞模式推力约128-132千牛。554号等原型机装备沈阳黎明航空发动机集团 FWS-10H两台，单台最大后燃器推力130千牛，应急起飞模式推力约135千牛。据歼15总设计师孙聪透露，国产的涡扇10H版发动机仍有诸多问题待解决。歼15近期已经批量产量，发动机仍用俄制AL-31F sep.3。胡思远曾表示J-15的主要弱点就是AL-31性能比不上F-35的F-135发动机。[7]。
2012年11月23日，首架歼-15原型机在辽宁号航空母舰上进行着舰测试和起飞测试成功[8]。
2013年3月7日，身兼全国政协委员的歼-15总设计师孙聪于两会期间接受中国新闻社访问时透露，歼-15目前处于飞行员培训阶段，正在进行小批量产；中国下一代舰载机可能于2020年前问世[9]。
2013年6月18日,歼-15再次在辽宁舰起降，并进行首次驻舰飞行。[10]。截止到2013年9月20日，歼15已知生产了7架原型机，编号为551、552、553、554、555、556、557，其中除554号采用了深灰色海军涂装外，其余均为黄色原型机涂装。
2013年12月初，由中国著名军事论坛“超级大本营”泄露一张采用标准的海军灰蓝色涂装，座舱后部涂装有海军军旗，垂直尾翼涂有一只“飞鲨”LOGO，机头及垂直尾翼有正式编号的歼-15舰载战斗机，说明该型战机已经通过试飞阶段，正式进入中国人民解放军海军航空兵正式服役，并已进入量产阶段。
2014年10月，一张疑似是弹射型歼15的照片在网络上流传，代表中国可能已经开建有弹射器的航空母舰。