Эксплуатация Ка-10 на кораблях флота показала, что необходимо приступать к постройке более грузоподъемной и менее зависимой от погодных условий винтокрылой машины. Она должна иметь закрытую кабину с необходимым оборудованием, обеспечивающую нормальные условия для размещения пилота и выполнения им своих функциональных обязанностей. Такой машиной и стал Ка-15, спроектированный также по соосной схеме. Это был двухместный вертолет - рядом с пилотом располагалось кресло для оператора или пассажира.

Первый полет на вертолете Ка-15 выполнил 14 апреля 1953 года летчик-испытатель Д.К.Ефремов. Государственные испытания были закончены в 1955 году, а в 1956 году на авиационном заводе в Улан-Удэ начали серийное производство этих машин.

Сравнительные войсковые испытания вертолетов Ка-15 (соосной схемы) и Ми-1 (одновинтовой схемы с рулевым винтом) проводились на крейсере "Михаил Кутузов" по решению руководства ВМФ. Благодаря малым размерам и высокой маневренности Ка-15 успешно производил взлеты с небольшой площадки корабля и посадки на нее даже в условиях шестибального волнения моря. Ми-1, имеющий длинную хвостовую балку и рулевой винт, значительно ограничивающие возможности эксплуатации, не мог использоваться при наличии турбулентности потока воздуха и качки корабля. Результаты испытаний окончательно убедили военных моряков в правильности выбора соосной схемы для вертолета корабельного базирования.

В противолодочном варианте Ка-15 оснащался двумя радиогидроакустическими буями РГБ-Н или приемным устройством СПАРУ. Один из таких вертолетов сбрасывал буи в заданном квадрате акватории, другой - получал информацию от них о наличии или отсутствии подводной лодки. При обнаружении лодки в действие вступал третий Ка-15, оснащенный прицелом ОПБ-1Р и двумя глубинными бомбами калибра 50кг. В 1957-1958 годах были сформированы первые подразделения вертолетов Ка-15. В 1958 году начались работы по оборудованию эскадренного миноносца проекта 57 вертолетной взлетно-посадочной площадкой. В 1960-1961 годах на вооружение ВМФ поступило 8 кораблей (проект 57), оборудованных взлетно-посадочной площадкой , корабельной системой эксплуатации винтокрылых машин, каютами для пилотов и обслуживающего персонала.

Вертолеты Ка-15 и его модификации находились в эксплуатации около 20 лет. В период с 1958 по 1963 годы для вертолетов Ка-15М и Ка-18 были разработаны, испытаны и внедрены в эксплуатацию лопасти винтов новой конструкции из полимерных композиционных материалов, которые обеспечили увеличение аэродинамического качества несущих винтов и ресурса лопастей.

На базе Ка-15 создавался ряд его модификаций: многоцелевой Ка-15М, учебно-тренировочный УКа-15 и четырехместный Ка-18. Их опытные экземпляры начинали строить на территории завода №82 в Тушине, а заканчивали уже на собственном производстве вблизи станции Ухтомская.

Всего было выпущенно 354 вертолетов Ка-15 всех модификаций. В целом, Ка-15 оценивался эксплуатантами как недостаточно надёжный и безопасный вертолёт, что и послужило причиной его быстрого "ухода со сцены".

Планер вертолета состоял из фюзеляжа, хвостовой балки с горизонтальным и вертикальным оперением и с хвостовой предохранительной опорой шасси. Фюзеляж образован пространственной фермой, изготовленной из хромансилевых труб, к которой крепится каркас, собранный из дюралюминиевых профилей различных сечений и размеров. В каркасе предусмотрены проемы для фонаря кабины пилота, входных дверей и люков, необходимых для подхода к оборудованию, агрегатам и узлам машины. Каркас покрыт дюралюминиевой обшивкой толщиной 0,5-0,8 мм. Хвостовая балка представляет собой полумонококовую конструкцию с продольно-поперечным набором из стрингеров и шпангоутов, обшитую дюралюминиевыми листами толщиной 0,5 мм.

Вертолет имел четырехопорное неубирающееся шасси с двумя передними опорами со свободно ориентирующимися колесами. Колеса основных опор шасси тормозные. В варианте корабельного базирования вместо колесного шасси предусмотривалось применение двух баллонов по типу шасси Ка-10. Оба вида шасси хорошо себя зарекомендовали, так как обеспечивали устойчивое положение аппарата на качающейся палубе корабля и на площадках с уклонами.

В носовом обтекателе фюзеляжа Ка-15 располагалось оборудование и аккумулятор. За обтекателем находилась кабина пилота. Кресла пилота (слева) и наблюдателя расположены рядом. Кресло пилота могло регулироваться под его рост. Бортовое оборудование обеспечивло выполнение полетов днем и ночью.

Силовая установка, включающая двигатель АИ—14В с редукторами, два топливных бака (передний и задний) и топливные коммуникации, распологалась между кабиной пилота и стыковочным шпангоутом фюзеляжа с хвостовой балкой. Колонка несущих винтов, как и на Ка-10, соединялась с распределительным редуктором. Он раздает крутящий момент от двигателя поровну на два винта. В отличие от Ка-10, путевое управление на Ка-15 комбинированное, включающее механизм дифференциального шага несущих винтов и рули направления двухкилевого вертикального оперения. Эффективность рулевых поверхностей повышается с ростом скорости полета. При отказе двигателя они обеспечивают вертолету необходимую путевую управляемость на режиме авторотации несущих винтов.