В 1982 году начались испытания ударного варианта F-15 — Strike Eagle, в который фирма «McDonnell Douglas» на собственные средства переделала второй TF-15А. Этот самолет создавался в рамках программы ETF ("Enhanced Tactical Fighter") для замены истребителя-бомбардировщика F-111 и стал ее победителем, обойдя F-16XL Fighting Falcon.

К демонстратору Strike Eagle присоединились F-15Cn F-15D, которые испытывались с различными вариантами подвески вооружения и ПТБ. Но обычно эти самолеты оснащались конформными топливными баками. В результате 24 февраля 1984 года было дано добро на создание F-15Е, а первая серийная машина поднялась в воздух 11 декабря 1986 года. Пока не было окончательно выбрано имя Strike Eagle, самолет иногда называли Beagle (Bomber Eagle) или Mud Hen.

Установка нового бортового оборудования и систем для решения ударных задач позволяет считать F-15E представителем второго поколения Eagle. Самолет получил новую кабину с широкоформатным индикатором на лобовом стекле и тремя ЭЛТ-дисплеями для решения задач навигации, управления вооружением и системами машины. Оператор систем вооружения (WSO) в задней кабине имеет четыре многофункциональных ЭЛТ-дисплея: РЛС, выбора оружия и управления системой РЭП. Оператор также работает с РЛС с синтезированной апертурой AN/APG-63(V)I (РЛС APG-70 были заменены в начале 2000-х годов), навигационным (AN/AAQ-13) и прицельным (AN/AAQ-14) оборудованием контейнера Lockheed Martin LANTIRN. К 2008 году AN/AAQ-14 стал использоваться реже, так как появились более совершенные прицельные контейнеры, в том числе Sniper.

В навигационном контейнере установлена собственная РЛС обеспечения полета с огибанием рельефа местности, которая может быть связана с системой управления самолета, позволяя последнему действовать на малых высотах. Прицельный контейнер позволяет использовать бомбы с лазерным наведением — GBU-10 и GBU-24. В задней кабине имеется также ручка управления и комплект основных пилотажных приборов. Безопасное покидание машины обеспечивают катапультные кресла ACES II.

Первоначально на самолете были установлены ТРДДФ F100-PW-220 с цифровой системой управления, как на F-15C. Но вскоре в рамках программы «lmproved Performance Engine» на F-15E провели сравнительные испытания двигателей GE F110-GE-129 и P&W F100-PW-229; победителем стала фирма «Pratt & Whitney». С августа 1991 года эти двигатели стали устанавливать на новые машины, а на ранее выпущенных машинах их монтировали при плановом ремонте. Для адаптации F-15E к суровым условиям полетов на малых высотах конструкцию планера усилили, доведя его ресурс до 16000 часов, а допустимые перегрузки — до 9. При изготовлении хвостовой части фюзеляжа, двигательного отсека и некоторых панелей стали широко использовать сверхпластичное формование и диффузионную сварку. Топливные баки изнутри покрыли вспененным покрытием, что уменьшило их объем до 7643 л.

В 1988 году 405-е тактическое учебное крыло на авиабазе Люк в Аризоне стало отвечать за подготовку экипажей F-15E. Первые боевые F-15E были поставлены 4-му тактическому истребительному крылу (TFW) на авиабазе Сеймур Джонсон в Северной Каролине, придя на смену F-4E Phantom. Когда 12 августа 1990 года США начали операцию «Щит пустыни», F-15E Eagle из 336-й тактической истребительной эскадрильи (TFS) 4-го TFW были развернуты на базе Аль-Харджа в Саудовской Аравии. Вскоре к ним присоединились F-15E 335-й TFS того же крыла. Во время операции «Буря в пустыне» F-15E наносили удары по различным целям, в том числе совершали полеты продолжительностью пять — шесть часов на поиск и уничтожение ракетных комплексов «Scud». F-15E совершили 2200 боевых вылетов, потеряв всего две машины.

В 1991 году США отказались от серийного производства F-15E. Машина имела два недостатка: малую нагрузку на крыло, делающую некомфортным полет на малых высотах, и грузоподъемность меньшую, чем у старого F-111. Несмотря на прекращение поставок F-15E в ВВС США, Саудовская Аравия заказала 72 самолета, получивших обозначение F-15S. Израиль также заказал 21 F-151 с возможностью дозаказа еще четырех машин. По своему оснащению израильские F-15I, известные как Thunder, мало отличаются от американских F-15E. Южная Корея и Сингапур также приобрели Strike Eagle в вариантах F-15K и F-15SG, соответственно.