30. září 2015 zahájilo Rusko v Sýrii letecké operace proti Islámskému státu. První nálety podnikly v tento den bombardéry Su-24M v provincii Hamá. Následující den se kromě Su-25 přidaly i letouny Su-34, které zasáhly velitelský post a výcvikový tábor v provincii Rakka. Při těchto náletech přišlo o život 12 příslušníků jednotek ISIL. 2. října 2015 letouny Su-34 a Su-24M podnikly v Sýrii 20 bojových letů, přičemž zaútočily na devět cílů extremistické organizace Islámský stát. Následující den byl při náletech ruských bojových letounů Su-34, Su-24M a Su-25 zasažen výcvikový tábor radikálů, jakož i provoz pro výrobu vest pro sebevražedné atentátníky. 5. října 2015 zničily bombardéry Su-34 velitelské stanoviště v provincii Aleppo. V úterý 6. října 2015 zničily letouny Su-34 opevnění militantů v blízkosti města Latákia.