Проектирование специального сверхдальнего самолета, получившего обозначение БОК-15, началось в Смоленске, причем за основу взяли уже строящиеся самолеты типа БОК-7. Основные усилия направили на улучшение аэродинамики и увеличение запасов топлива. Поначалу активности в проведении работ не наблюдалось, лишь через год, 9 июля 1938 г. состоялась первая макетная комиссия, в составе которой были летчики Громов, Юмашев, Данилин и Петров.

Для БОК-15 спроектировали герметическую кабину вентиляционного типа, первую в СССР. Хотя создание такой кабины предполагало разрешение многих новых технических проблем, однако ее вес для трех человек экипажа был на 300–500 кг меньше, чем у кабины с регенерационной системой (БОК-1).

Крыло самолета двухлонжеронное, конструкция традиционная, отработанная в самолетах ЦАГИ и БОК. В соответствии с этой силовой схемой лонжероны крыла проходили через гермокабину. Каждый лонжерон крыла состоял из двух хромомолибденовых труб, соединенных клепаной дюралюминиевой стенкой. В пространстве между лонжеронами и в передней кромке центроплана размещались 12 топливных баков, рассчитанных на 7,5 т дизельного топлива. Обшивка крыла гладкая, из дюраля толщиной 0,6–1,5 мм.

Фюзеляж типа монокок со встроенной гермокабиной вентиляционного типа, снабженной двумя люками: один аварийный в верхней части и один снизу, используемый как лаз для подъема в самолет. Экипаж состоял из трех человек: двух пилотов и штурмана. Управление самолетом сдвоенное, при размещении пилотов рядом. Над левым, командирским креслом из гермокабины выступал каплевидный фонарь, правый пилот имел обзор только по сторонам. Место штурмана в кормовой части кабины, там же смонтировано радио и штурманское оборудование. Для того чтобы избежать использования термостатов для моторного масла, маслобаки разместили внутри гермокабины. На одном из них, по правому борту, находилась откидная кровать для отдыха экипажа.

Хвостовое оперение практически полностью повторяло оперение БОК-7 (БОК-11). Шасси, как и в АНТ-25, полуубираемое в центроплан, выступающие элементы в полете закрыты обтекателем. Амортизация стоек шасси масляно – пневматическая, с большим ходом, рассчитанным на случай посадки с максимальным полетным весом. Костыльное колесо неубираемое, в обтекателе.

При выборе силовой установки основные надежды связывались с авиационным дизелем АН-1 конструкции Чаромского, разработка которого велась с 1931 г. В 1935 г. АН-1 прошел государственные испытания, в ходе которых на высоте 3000 м зафиксировали номинальную мощность 850 л. с. при расходе горючего 170–180 г/л. с./ч. После вполне успешных испытаний последовало решение изготовить серию таких дизелей в количестве 20 экземпляров на заводе № 24 в Москве.

В 1936 г. АН-1 установили на один из АНТ-36 (военный вариант АНТ-25), построенный на заводе № 18 в Воронеже. В период испытаний с 14 июня по 23 ноября 1936 г. дизель надежно отработал на АНТ-36 140 часов. Затем создали модификацию – АН-1РТК с турбокомпрессором и заявленной мощностью 1100 л. с. Именно данный вариант позволял рассчитывать на получение дальности полета от 18 до 24 тыс. км и продолжительность нахождения в воздухе 50—100 часов. Кстати, стремление обеспечить дальность 24 тыс. км имело весьма простое объяснение. Начиная с 1928 г. американские летчики неоднократно предпринимали перелеты вокруг Земли с промежуточными посадками, при этом последующие участники постоянно улучшали результаты затраченного времени. Это всеамериканское соревнование частично проходило через советскую территорию примерно вдоль 60–й параллели, то есть там, где имелись обжитые районы и воздушные трассы. Длина этого маршрута составляла 24 тыс. км. При подсчете возможностей БОК-15 его расчетная дальность как раз приближалась к пресловутой цифре 24, поэтому к ней и стремились. То есть вполне можно было претендовать не только на рекордный полет, но и на полет знаковый – впервые без посадки вокруг Земли!