說到F-104，恐怕很多人會不屑地撇撇嘴：“不就是那個'寡婦製造者'嗎？”
然而，儘管國內很多文章對該機報導很多，該機總共實實在在地生產了2,578 架，使用國家/地區達15 個，成為60 年代和米格-21、幻象III 齊名的世界三大標準戰鬥機之一。該機也是第一種實用的M2 一級戰鬥機，還是第一種曾經同時保持世界高度和速度紀錄的飛機。一種飛機能夠達到這個水平，殊為不易。那麼就讓我們揭開加諸其上的層層主觀面紗，回到半個世紀前去看看這種褒貶不一的戰鬥機的真實面目。
F-104星式戰鬥機
噴氣發動機推力增大，為飛機重量增大提供了技術支持。而空對空飛彈的發展則使得樂觀派相信，未來空戰將向遠距發展（確實沒錯，但直到數十年後的今天，這個趨勢才逐漸明顯），戰鬥機應該攜帶更多的導彈和更大的雷達，以便在遠距殲敵；同時需要更多的油量以便獲得足夠的留空時間；當然，這樣一來戰鬥機的重量就大多了，只用於空戰未免浪費，所以不妨再增加對地攻擊能力……
然而，經歷了韓戰空戰的飛行員卻並不這麼認為。在那裡，米格-15 的表現給美軍飛行員留下了深刻的印象，也給其國內航空工業造成巨大震動。1951 年12 月，洛克希德的設計天才、當時的首席設計師凱利·約翰遜前往南韓的美軍空軍基地，會見了不少F-86軍刀機的飛行員，聽取他們對未來戰鬥機的意見。出人意料的是，飛行員的回答驚人的一致——戰鬥機重量增大、複雜性增加的趨勢使得飛機越來越難以控制，最理想的飛機應該是比現役戰鬥機更輕、更廉價、速度更快、升限更高、爬升率更大、並具有良好機動性的飛機。如果對米格-15 和F-86 的性能有些了解，不難發現其中的微妙之處。兩種飛機性能本在伯仲之間，但米格-15 恰恰是在速度和垂直機動性方面超過了F-86。由飛行員的回答不難看出米格-15 造成的巨大衝擊（實際上，這一沖擊影響極其深遠，幾乎整個世界的第二代超音速戰鬥機都被烙下了“高空高速”的印記）。
回國後，凱利竭力說服洛克希德管理層投資研製一種新型戰鬥機：簡單而易操縱，輕型廉價，但性能卻遠優於當時現役的所有戰鬥機。1952 年11 月，洛克希德正式啟動這個輕型戰鬥機項目。需要注意的是，美國空軍此時仍未就這個項目表態。這個項目事實上是洛克希德公司自行投資發展的。
在當時，第一代超音速戰鬥機正在加緊研製當中。NACA 的8 英尺超音速風洞尚未建成。航空界對於超音速飛行的了解仍然是一知半解。如何在這樣的基礎上研製“更高更快”的戰鬥機？凱利·約翰遜充分發揮了他的天才。回到美國後，他向陸軍“借”了460 枚5 英寸火箭彈，並進行改裝：加裝用於試驗的各種超音速機翼、遙控設備和照相機。然後將火箭彈一枚一枚打上去，對各種翼型在不同條件下的表現進行觀測——在當時，這幾乎是唯一可以實現超音速測試的方法。消耗了數百枚火箭彈之後，以凱利為首的洛克希德設計小組對未來的兩倍音速戰鬥機佈局、構型開始有了一個初步的概念。
韓戰空戰留給“軍刀”戰鬥機飛行員的沉重回憶——一架被套入米格-15 瞄準具的F-86。飛行員們向凱利·約翰遜提出的要求，正是他們在血與火中得來的經驗教訓——一種輕型、高效、專用於空戰的戰鬥機，這就是F-104 最初的基礎
飛機重型化的趨勢自50 年代以來日益明顯。但這樣的飛機能夠滿足空戰要求嗎？至少被擊落的F-86 飛行員並不這麼認為……
到了1953 年1 月，美國空軍“武器系統303A ”項目招標揭曉，洛克希德的輕型戰鬥機原型得標。當年3 月12 日，美國空軍和洛克希德簽訂合同，要求其生產兩架原型機供驗證評估，並賦予空軍飛機編號XF-104 ，洛克希德內部的設計代號則是083-92-01
1954 年2 月7 日，第一架XF-104 （生產序號：53-7786） 原型機出廠。2 月24～25 日間，該機在嚴格的保安措施下被運往愛德華茲空軍基地。洛克希德的老資格試飛員A·W·托尼·勒維爾擔任首席試飛員。2 月27 日，XF-104 開始滑行試驗。28 日，XF-104 在高速滑行過程中發生跳躍，短暫離地，高度達到5 英尺。
準備試飛的第一架XF-104。此時它仍然採用推力不足的J65 發動機。第一種M2 一級戰鬥機的歷史將由它來揭開
一切就緒之後，1954 年3 月4 日，XF-104 進行了首次試飛。但起飛後起落架出故障，無法收起，該機低速飛行了20 分鐘後返航。洛克希德工程師進行了現場搶修，但顯然沒找到癥結——次日XF-104 再次升空，起落架“依然故我”收不起來。仔細排故之後才發現原來是液壓作動系統失壓。問題倒是不難解決，但卻錯過了良好的天氣。此後3 週內愛德華茲空軍基地地區天氣惡劣，XF-104 被迫停止試飛。直至3 月26 日，XF-104 才重新升空， 在起落架收起狀態下完成了第3、4 次試飛。試飛中發現，XF-104 原來的偏航阻尼器效率很低，使得機頭在飛行中發生不穩定的左右偏擺現象。後來通過改進方向舵定中裝置加以解決
試飛中的XF-104。可以清楚地看到該機的進氣口仍然沒有安裝當時相當先進的激波錐。由於兩架原型機先後墜毀，留存到今天的XF-104 的照片並不多
此時，由於J79 發動機研製進度滯後，XF-104 仍不得不裝備無瑞特公司研製的加力燃燒室的J65-B-3 渦噴發動機，為此XF-104 的後機身和進氣口進行了重大修改，以適應這種推力較小的發動機——注意，XF-104 的進氣口並未裝備激波錐。由於推力限制，XF-104 最初的速度遠未達到設計指標——其平飛速度甚至未能突破音障，只能在小角度俯衝時達到馬赫數1。唯一的優點是跨音速時飛機表現穩定，沒有出現顫振等一系列問題，這似乎暗示著F-104 換發後的巨大潛力。1954 年7 月，加裝加力燃燒室的J65-W-7 發動機獲准投入使用，替換了原來的J65-B-3。其軍用推力3,538 公斤，加力推力4,627 公斤，儘管性能還不如預定裝備的J79 發動機，但已經遠優於J65-B-3。換裝J65-W-7 後，XF-104 最大平飛速度可以輕易超過音速，在12,500 米左右高空可以達到M1.49 ，俯衝時最大速度可以達到M1.6，急躍升時可以爬升到16,764 米。性能顯著提高。1955 年3 月15 日，該機由洛克希德試飛員J·雷·格岱駕駛，在18,288 米高空達到M1.79， 這是XF-104 所達到的最大平飛速度。
1954 年10 月5 日，裝備J65-W-7 的第二架XF-104 （53-7787 ）首次試飛。該機被用作武器試驗平台，因此裝備了20 ㎜M61A1 “火神”航炮，以及AN/ASG-14T-1 火控系統。在最初的對空火力測試中，M61A1 航炮表現良好。但在12 月17 日，M61A1 卻幾乎毀掉了XF-104 的2 號機。當時XF-104 正在進行射擊試驗，M61A1 突然炸膛，緊接著J65 發動機轉速急劇變化，處於極度不穩定狀態。經驗豐富的首席試飛員托尼·勒維爾立刻關閉發動機，進行空滑迫降，最後在羅傑斯干湖上成功著陸。事後調查發現，一發20 ㎜砲彈在膛內爆炸，碎片飛出來擊穿中機身油箱。燃油噴到炮艙內，並從艙門縫隙漏到左側進氣道內，使得發動機由於嚴重富油而熄火。在這件事當中，勒維爾能安全脫險，除了運氣之外，精湛的技術和豐富的經驗也是不可或缺的。
不過，這架2 號機還是在1955 年4 月14 日墜毀了。當時R·菲斯·索曼正在15,240 米高空進行航炮射擊試驗。航炮在射擊時發生故障，產生嚴重振動，撞鬆了飛機腹部的彈射艙門，導致座艙急速失壓。索曼的抗荷服因此迅速膨脹起來，擋住了他的視線。他立刻想到12 月勒維爾的那次事故，認為自己也遇到了同樣的事件，沒有選擇，只能跳傘。然而他事後發現，他本來可以挽救這架飛機的——飛機本身沒有嚴重問題，只要降到低空，抗荷服自然也癟下來，視線也不會受阻了。由於這次事故，洛克希德損失了僅有的武器試驗平台，不得不改裝一架F-94“星火”截擊機用來應急。
F-94“星火”截擊機也是洛克希德的產品，改裝起來相對簡單。不過，這種飛機在當時也已經過時，美國空軍的“截擊機1954” 工程正是為了研製F-94 等老式截擊機的後繼機——其最終成果就是日後廣為人知的康維爾F-102“三角劍”
1955 年12 月，XF-104 1 號機交付美國空軍。但該機最終也於1957 年7 月11 日墜毀。當時它正在為一架F-104A 伴隨護航，卻遇到尾翼顫振問題。由於嚴重顫振，整個尾翼結構被破壞，從機身上脫落，試飛員比爾·帕克被迫跳傘。至此，XF-104 原型機全部損失，沒能保存到今天。
1954 年7 月，美國空軍向洛克希德訂購17 架YF-104A 預生產型用於試飛。按照當時的觀點，大量飛機投入試飛將大大加快飛機的研製進度，並且一旦飛機定型投產，這批飛機還可以升級到生產型標準——當然，最大的缺點就是飛機研製計劃夭折，那麼這批預生產型也就基本上成為廢鐵了。
由於擔心通用電氣的J79 發動機不能按時投入使用，洛克希德採用了保險的策略。在第一架YF-104A 上仍然準備安裝瑞特的J65-W-7 。不過，這次J79 總算趕上了進度。1955 年12 月，通用電氣向海軍借了一架XF4D “天光”戰鬥機，將J79 裝上去試飛。根據試飛結果，J79 很快將獲准投入使用，正好趕上YF-104A 的試飛。於是，最終這17 架YF-104A 都按照安裝J79 發動機的標準來製造，它們預計將裝備XJ79-JE-3 發動機，該發動機軍用推力4,218 公斤，加力推力6,713 公斤。
和XF-104 相比，YF-104A 主要有以下變化：機身加長了1.68 米，以容納J79 發動機；向後收起的前起落架改為向前收起，以便為座椅向下彈射提供更好的彈射空間；機身背部增加了一個狹窄的背脊；機身內增加了兩個油箱；進氣口形狀修改，並加裝在XF-104 上省略了的激波錐，以適應大推力J79 的需要；增加的激波錐上有放氣狹縫，可以將部分空氣由機身通道送往後機身，用於加力燃燒室冷卻，並減小飛機尾部阻力；飛機上安裝了AN /ASG-14T-1 火控系統，並加裝了AN/ARN-56 塔康系統；飛機空重略有增加，為5,698 公斤，無外掛最大起飛重量由XF-104 的7,122 公斤增大到8,564公斤，全外掛構型（包括4 個翼下掛點和1 個機腹掛點） 下最大起飛重量為11,151 公斤。
YF-104 相對於XF-104， 其氣動外形明顯改變，激波錐的引入，大幅改善了不同條件下的進氣效率。垂尾上的序號表明，該機是17 架原型機中的第7 架
1956 年2 月， 第一架YF-104A（55-2955） 出廠，在嚴格保密情況下運抵愛德華茲空軍基地。1956 年2 月17 日，該機由洛克希德試飛員赫曼·菲斯·索曼駕駛進行了首次試飛。此前一天，第二架YF-104A（55-2956 ）已經在洛克希德的伯班克工廠進行了首次正式展出。儘管此次展出未對媒體開放，但也確實證實了航空界關於洛克希德正在研製一種革命性戰鬥機的傳言。當然，根據美國空軍的要求，YF-104A 2 號機的進氣口被嚴嚴實實地遮住了——他們並不想這麼早就暴露當時非常先進的激波錐設計。
在今天眾多航迷眼里和“落後過時”畫等號的三維超音速進氣道設計，在當年卻是高度機密。即使在今天，能夠設計超音速進氣道的國家仍然屈指可數。（注：本圖中的飛機並非YF-104 ，而是德國的F-104G。）
17 架YF-104A ，加上最初生產的35 架F-104A，總共有52 架飛機參與試飛，並進行相關設備的評估，包括：J79 發動機的改進改型（J79-JE-3、J79-JE -3A 、J79-JE-3B），M61A1 航炮，AIM-9“響尾蛇”導彈，以及掛在翼尖的170 加侖副油箱等。在試飛過程中，飛機結構進行了相應加強，並對局部設計加以改進。為了獲得最好的效果，對不同類型的吹氣襟翼進行了試驗。尾部加裝了腹鰭，以改善超音速時飛機的航向穩定性。
除了試飛外，YF-104A 還被用於創紀錄飛行。1958 年5 月7 日， 霍華德·C· 約翰遜少校駕機在愛德華茲空軍基地上空進行動力躍升飛行，最大飛行高度達到27,813 米，創造了一項世界高度紀錄。5 月16 日，YF-104A 在沃爾特·W·埃汶上尉操縱下，在15×25 公里閉合航線上創造了2,259 公里/時的世界速度紀錄。這是航空史上第一次，由同一種飛機同時摘取高度和速度紀錄兩項桂冠。
1956 年3 月2 日，美國空軍向洛克希德確認了多達153 架F-104A 的訂單。這是生產型F-104A 的首批訂單。
和YF-104A 相比，F-104 的主要改進包括：機體結構加強，以使得飛機最大可用過載達到7.33G； 原來在YF-104A 上屬於試驗性質的單腹鰭成為標准設計，用於改善飛機高速航向穩定性；原來屬於過渡性質的AN/ASG-14T-1 火控系統仍然保留（用於第1 和第5 批次）， 但後來改進為AN/ASG-14T-2 火控系統（第10批次以後採用），由於附面層控制系統效果顯著，使得F-104A 儘管重量增大不少，而著陸速度只比早期原型機增大5％。機上還裝有自動俯仰控制系統。當飛機接近失速時，系統會令操縱桿產生振動，警告飛行員。如果飛行員無視警告，繼續保持原來的飛行狀態，該系統會自動推桿，迫使飛機低頭以免失速。
F-104A 和它原本要取代的F-100“超級軍刀”。不難發現，空軍從一開始就沒打算將F-104 作為純空戰戰鬥機。這實際上已經背離了凱利·約翰遜的初衷。由於設計和使用脫節，F-104 後來在美國空軍中的命運早已註定了
F-104A 原本計劃從1956 年開始取代F-100“超級軍刀”戰鬥機，裝備戰術空軍司令部所屬部隊，用作制空戰鬥機/戰鬥轟炸機。但由於進度滯後，F-104 顯然是趕不上空軍計劃了。為此，美國空軍更改了裝備計劃。加上F-104 航程短，載彈量小，並不能滿足戰術空軍司令部作為戰鬥轟炸機的要求，因此戰術空軍司令部最終失去了對F-104 的興趣。這第一種M2 一級的戰鬥機瀕臨夭折。但恰好在這時康維爾F-106“三角標槍”截擊機由於火控系統和發動機進度延遲而遲遲不能交付使用，防空司令部陷入戰鬥力短缺的境地——即使追加訂購F-102 也不能完全滿足需要。美國空軍當即決定，將F-104 轉交防空司令部，作為臨時性措施，填補F-106 服役前的戰鬥力空白。儘管F-104A 不是很適合防空司令部的需要，但它的出色爬升能力對防空司令部還是有相當吸引力的，因此防空司令部最終還是接受了F-104A。事實上，F-104A 的這段起死回生的經歷和F-101“巫毒”頗為相似。當時F-101 也是由於原定客戶（這次是戰略空軍司令部）放棄裝備計劃而幾乎夭折，卻被戰術空軍相中而得以投產。
加利福尼亞州哈密爾頓空軍基地的第83 戰鬥截擊機中隊是第一個裝備F-104A 的部隊，該部於1958 年1 月26 日開始換裝F-104A，並於2 月20 日形成初始作戰能力。接下來，防空司令部所屬的第56 中隊（駐俄亥俄州瑞特－帕特森基地）、第337 中隊（駐馬薩諸塞州維斯特歐文基地）、第538 中隊（駐華盛頓州拉爾松基地）相繼裝備。
麥克唐納F-101“巫毒”具有和F-104 類似的經歷。實際上該機即使轉行作截擊/戰鬥轟炸機，表現也不盡人意。倒是RF-101 在執行低空高速偵察時發揮了不小的作用。圖為全加力起飛的加拿大皇家空軍CF-101
1958 年12 月，最後一架F-104A 交付防空司令部。至此，7 批共153 架F-104A 全部交付完畢。加上17 架最後升級到F-104A 標準的YF-104A ，也才170 架，遠少於當初計劃生產的722 架。資金匱乏固然是原因之一，而F-104A 未能滿足防空司令部的要求才是真正的原因。如前所述，F-104A 原本就是設計作為晝間近程製空戰鬥機，由此提出的各項指標、技術要求和截擊機並不完全一致。過短的航程限制了該機在廣袤無垠的阿拉斯加部署的能力。5 個裝備F-104A 的中隊均未部署到阿拉斯加，而那裡恰恰是北美空防的第一線。此外，原來的晝間作戰用途使得F-104A 不具備全天候作戰能力，也無法與北美防空體系的半自動地面引導攔截系統（SAGE ）兼容。因此，F-104A 在防空司令部所能發揮的作用極其有限，到1960 年底就退役了，被道格拉斯的F-101B “巫毒” 和康維爾F-106A“三角標槍”全天候截擊機所取代。
儘管擁有出色的爬升和加速性能，但全天候遠程截擊並非F-104A 的設計任務。因此該機很快退出了北美防空部隊的裝備序列。圖為取代該機的F-101B（上圖，F-101 的全天候截擊型）和F-106 “三角標槍”（下圖，康維爾F-102 的最終發展型）
防空司令部的F-104A 退役後，相繼轉交空中國民警衛隊（ANG），部署到田納西州ANG 第151 中隊、北卡羅來那州ANG 第157 中隊以及亞利桑那州ANG 第197 中隊。1961 年柏林危機中，這三個中隊被編入現役，緊急調赴歐洲。隨著柏林危機解決，三個中隊於1962 年6 月返回美國，並重新歸還空中國民警衛隊建制。但他們裝備的F-104A 卻被空軍留了下來，再次交付防空司令部使用：第32 航空隊所屬駐霍姆斯特德基地的第331 中隊和第319 中隊奉命用只能進行晝間攔截的F-104A 替換他們現在裝備的F-102 和F-106 全天候截擊機——很意外的決定，不是嗎？1967 年底，第319 中隊的26 架F-104A 開始改裝加大推力的J79-GE-19 。此時它已經是美國空軍中最後一個裝備F-104A 的部隊。1969 年12 月，第319 中隊撤編，標誌著F-104A 在美國空軍現役部隊服役的歷史正式終結。同時美國空軍也決定將部分淘汰的F-104A 出口，台灣、巴基斯坦和約旦都獲得了少量該型機（數量分別是25 架、10 架、16 架）。
儘管F-104A 在美國空軍服役的歷史短暫而坎坷，但該機的出色性能卻是不容忽視的。繼YF-104A 之後，F-104A 也加入了創紀錄飛行的行列。1958 年12 月，在兩天時間裡，F-104A 創造了多項爬升速度紀錄：爬升到3,000 米耗時41.35 秒，到6,000 米耗時51.41 秒，到9,000 米耗時81.14 秒，到15,000 米耗時131.1 秒，到20,000 米耗時222.99 秒，到25,000 米耗時266.03 秒。
巴基斯坦空軍第9 中隊裝備的F-104A
1963 年，3 架美國空軍退役封存的F-104A（56-756， 56-760，56-762） 被重新啟封，改裝成航天教練機，其型號改為NF-104A 。NF-104A 所有武器系統全部拆除，原來的垂尾被F-104G 所用的大型垂尾代替。翼展增大到7.60 米。在機頭、機尾及翼尖加裝了過氧化氫燃料箱，為在垂尾根部加裝的LR121/AR-2-NA-1 輔助火箭發動機（推力達2,722 公斤）提供燃料。這種火箭發動機推力可以在1,361～2,722 公斤之間調節，燃燒時間達105 秒。
打開尾部火箭發動機進行大仰角爬升的NF-104A。從垂尾序號可以看出，該機是3 架同型機的1 號
1963 年10 月1 日，第一架NF-104A 交付使用。另兩架也在一個月內交付。它們的使用者是位於愛德華茲空軍基地的航天研究飛行員學校，當時該校負責人正是首次突破音障的查爾斯·E·耶格爾上校。
1963 年12 月6 日，第一架NF-104A 創造了一項非官方世界飛行高度紀錄——36,229 米。當時這一紀錄的官方數字是34,695 米，由米格-21 原型機之一E-66 創造的。後來，R·W·史密斯駕駛這架NF-104A 飛到了36,820 米的高度。
同年12 月10 日，NF-104A 2 號機由耶格爾上校駕駛時，在31,699 米高度失控，飛機進入平尾旋無法改出而墜毀。耶格爾在3,000 米高空跳傘，面部被彈射座椅的火箭發動機嚴重燒傷，但總算得以倖存。調查結果顯示，飛機由於迎角過大，平尾又難以給予響應——T 形尾翼佈局和菱形翼型組合的缺點在此暴露無疑——導致飛機進入平尾旋而墜毀。但過大的迎角並不是耶格爾造成的，當時他正關閉J79 發動機，準備用火箭發動機驅動進行大角度爬升。但J79 關車後產生嚴重的陀螺效應，導致飛機迎角急速增大，平尾又無法抑制，最終進入尾旋。
1971 年6 月，第3 架NF-104A 由霍華德·C·湯普森上尉駕駛時，由於尾部火箭發動機爆炸，導致飛機嚴重受損。迫降成功後發現，火箭發動機和半個方向舵都已經炸飛了。由於訓練計劃即將結束，NF-104A 3 號機已無修復價值，該機就此退役。
幾乎把耶格爾送進地獄的NF-104A 2 號機
改裝為遙控靶機的QF-104A， 機身和垂尾已噴塗上醒目的桔紅色
1960 年，隨著F-104A 從防空司令部退役，24 架YF-104A 和F-104A 被改裝成無線電遙控靶機，型號改為QF-104A 。該機全部噴上紅色條紋，交付佛羅里達州埃格林空軍基地的3205 靶機中隊使用。和大部分改造的靶機一樣，QF-104A 仍保留了載人飛行能力，但也可以由地面遙控飛行。後來這批飛機大部分在導彈試驗中被擊毀。
F-104B 是專門用於F-104A 改裝訓練的雙座教練型，洛克希德設計代號283-93-03 。和F-104A 相比，B 型的主要改動是：座艙加長，以容納第二個座位；座艙蓋改為向左側開啟；增加一套操縱系統，兩套操縱系統都具有全部控制能力；為了給第二個作為提供空間，原來的M61A1 航炮被取消（也因此使得F-104B 不能具備A 型的全部作戰能力），同時內部佈置重新調整，部分航電設備有所移動；機內油箱也有所更改，內部載油量由3,395 升減少到2,763 升；機載武器只有兩枚AIM-9B “響尾蛇”導彈， 不過仍然保留了早期A 型的AN/ASG-14T-1 火控系統；垂尾面積加大，以保證足夠的航向穩定性；前起落架再次改為向後收起。
1967 年1 月16 日，被非正式稱作YF-104B 的原型機（56-3719）首次試飛。該機實際上是用一架過剩的F-104A 機體改裝的，後期F-104B 的大面積尾翼、自動俯仰抑制系統以及火控系統均未安裝。該機後來被升級到F-104B 的標準，並被用於洛克希德向下彈射座椅的試飛工作。
包括原型機在內，洛克希德總共生產了26 架F-104B （生產序號：56-3719～2724， 57-1294～1313），包括3 個批次，全部交付美國空軍。
這是一幅表現印巴戰爭的油畫。畫中展現了一架巴基斯坦空軍第9 中隊的F-104B 執行低空高速偵察任務的場景。雖然印軍防空砲火密集，但這架F-104B 毫髮無損，安全返航
第18 架F-104B。和A 型相比，外觀差別不大
F-104C 是A 型的戰術攻擊型，洛克希德設計代號483-04-05 。該機是針對F-104A 航程短、載彈量小的缺點改進設計的，就是為了滿足戰術空軍司令部的要求。前文已經提及，戰術空軍司令部正是由於這兩點而拒絕接受F-104A 的。現在，它認為需要一種超音速戰術攻擊機來填補亞音速的F-100“超級軍刀”和兩倍音速的F-105“雷公”之間的空白，F-104C 恰好可以滿足需要。1956 年3 月2 日，美國空軍向洛克希德下達了一份56 架的確認訂單。當年12 月26 日，美國空軍又追加訂購21 架F-104C， 使得訂購數量增加到77 架。原計劃生產363 架該型機，但由於美國空軍最終取消了F-104 系列的全部生產計劃，使得F-104C 後續生產計劃全部泡湯。
1958 年7 月24 日，F-104C 原型機（非正式代號YF-104C ）首次試飛。和A 型相比，F-104C 的主要改進包括：換裝J79-GE-7 發動機，軍用推力4,536 公斤， 加力推力7,167 公斤，由於空氣流量增大，發動機最大直徑增大約0.08 米；機身左側加裝固定式受油管（可快速拆裝），從而具備空中加油能力；機腹掛點加強，可以掛載重達907 公斤的武器，如MK12 核炸彈和美國空軍其它戰術核武器（這是F-104C 改進設計的主要目的——對目標進行戰術核打擊），如果不掛武器，還可以掛一個852 公升副油箱；火控系統採用AN/ASG-14T-2 ，和後期型F-104A 相同——這使得F-104C 具有在夜間簡單氣象條件下作戰的能力，但尚未達到全天候作戰的水平；序號56-938 以前的C 型機採用擾動光環瞄準具，之後則去掉了光環測距裝置，改有雷達測距，因而瞄準具光環大小不再改變；彈射方式重新採用向上彈射，採用洛克希德自行研製的C-2 型火箭彈射座椅。原來的M61A1 機炮和翼尖“響尾蛇”飛彈掛載能力仍然保留。不過，由於M61A1 可靠性不佳，F-104C 並未真正安裝該機炮，直至1964 年軍方確認機炮可靠性問題已經得到解決為止。
機身左側的固定式受油管是F-104C 和A 型在外觀上最大的差別。60914 的序列號表明這架飛機已經採用了雷達測距，因此取消了擾動光環瞄準具
1958 年9 月，F-104C 開始交付戰術空軍司令部。該機只裝備了駐喬治空軍基地的第479 戰術戰鬥機聯隊所屬4 個中隊（434 、435 、436 、476）。該機主要擔負核打擊任務，但也可以執行常規對地攻擊任務。
1959 年12 月14 日，喬·B·喬丹上尉駕駛一架F-104C 刷新了世界飛行高度紀錄——達到31,513 米，這也是航空史上飛機第一次依賴自身動力在30,000 米高空飛行。在此次飛行中，F-104C 最大平飛速度達到M2.36，並同時創造了15 分4.92 秒爬升30,000 米（從地面鬆剎車開始計時）的另一項世界紀錄。
1961 年10 月， 洛克希德開始進行代號“研磨機”的戰鬥機現代化改進計劃，F-104C 機群也被包括其中。該機機身下左右兩側各增加一個掛點，用於攜帶“響尾蛇”導彈，從而使總攜彈量增加到4 枚；此外還增加了各種類型對地攻擊武器的投射能力，包括凝固汽油彈、2.75 英寸火箭彈和常規炸彈。
1962 年10 月，古巴飛彈危機爆發。第479 戰術戰鬥機聯隊被部署到佛羅里達的凱·維斯特海軍航空站，以阻止古巴或蘇聯飛機可能對美國目標發動的空襲。當然，如果必要的話，該聯隊的F-104C 也會對古巴目標實施空中打擊——可以想像，一旦F-104C 出動，機上掛載的肯定不是常規武器。幸運的是，F-104C 最終未能一顯身手
這架F-104 是亞利桑那州圖森市比馬航空博物館的館標。雖然在說明中註明該機為C 型，但亞利桑那ANG 實際裝備的是A 型
1965 年4 月，第479 聯隊的一個中隊（番號不詳）調往南越大朗（音譯）基地，用於執行戰鬥空中巡邏任務，掩護己方戰鬥轟炸機免遭北越戰鬥機的攻擊。執行這種任務時，F-104C 只攜帶4 枚“響尾蛇”導彈。在這片熱帶叢林上空，F-104 固有的航程短的缺點再次暴露，它無法對攻擊機群實施全程護航！越南人很快發現了這一點，他們只要等到F-104C 由於燃油不足被迫返航後再發動攻擊，F-104C 就無可奈何。1965 年9 月20 日，這一天如果不是第479 聯隊歷史上最黑暗的一天，至少也是其中之一。當天菲利普·E·史密斯少校駕駛F-104C 侵入海南島領空（美國人的說法是導航系統故障），遭到海航4 師10 團高翔、黃鳳生殲-6 雙機攔截。高翔從距離291 米開砲，一直打到距離39 米，F-104C 凌空爆炸，史密斯跳傘。而在尋找失踪的史密斯過程中，該中隊兩架F-104C 在返航途中相撞，兩名飛行員喪生。該中隊在越南總共損失了4 架F-104C （另一架在一周後被高砲擊落，飛行員陣亡），這一天就佔了3/4！實在是“黑”到了極點。之後， 該中隊撤回喬治空軍基地。
照相槍裡留下的永恆瞬間——被殲-6 打得凌空爆炸的F-104C
1966 年5 月，一支F-104C 分遣隊重返越南戰場。這一次，第479 聯隊全軍出動，部署到泰國巫東（音譯）基地。他們的主要任務不再是製空作戰，而是對地攻擊。在旨在誘殲北越戰鬥機的“大刀行動”中，F-104C 也參與了空戰，但沒有取得戰果，倒是F-4“幽靈II”斬獲頗豐。由於F-104 的固有缺陷（航程短，載彈量小），使得F-104C 在對地攻擊中表現也不甚出色，美國空軍決定從1967 年7 月開始以F-4D 取代F-104C。第479 聯隊撤回喬治基地。在越南戰場上，F-104C 被殲-6 擊落1 架（海南島那架）， 被地對空飛彈擊落2 架，被高砲擊落6 架，還有6 架因非戰鬥原因損失。
479 聯隊回國後，即將剩餘的F-104C 轉交波多黎各ANG 第198 中隊，替換該中隊早已過時的F-86。此後，F-104C 一直在該中隊服役，直至1975 年7 月被A-7 “海盜II”取代。
F-104D（公司設計代號383-04-06 ）是C 型的雙座教練型，但實際上是由B 型改進而來。該機共生產了21 架（生產序號：57-1314～1334），有3 個批次。和B 型相比，該機在外觀上最大的區別是D 型的座艙蓋在前後艙之間增加了隔框。當然，從57-1320 號機開始，F-104D 均加裝了和C 型機同樣的固定式受油管，更加容易識別。
存放於比馬航空博物館的F-104D
F-104F（公司設計代號483-04-08） 是專門為原聯邦德國空軍生產的雙座教練機，用於在洛克希德F-104G 戰鬥機服役之前培訓飛行員。該機由F-104D 改進而來，換裝用於F-104G 的J79-GE-11A 發動機，換裝馬丁·貝克彈射座椅，但機身結構未經加強，也未裝備全天候雷達。
F-104F 共生產了30 架，大部分裝備西德空軍，還有少量裝備西德海軍航空兵。1971 年12 月，該機被F-104G 真正的雙座教練型TF-104G 取代。
專門為原聯邦德國空軍生產的F-104 F，外觀與F-104D 幾無差別
F-104F 精緻座艙蓋，需要的不僅僅是博物館工作人員的責任，更多的是對航空的熱情。
1956 年，洛克希德開始研製一種新的“星”式戰鬥機，公司設計代號683-10-19， 非正式代號F-104-7，當時被稱作“超星”。這是一種主要用於攻擊和偵察的機型。在當時，洛克希德就意識到，美國空軍已經不可能再採購F-104，所以計劃伊始就組織了強大的推銷團，大力開展促銷活動。恰好此時大多數西歐國家裝備的第一代噴氣式戰鬥機開始逐漸過時。他們迫切需要一種現代化的標準戰鬥轟炸機，作為空軍下一代主力機型。西德空軍則是其中最大的客戶。他們的F-84 和F-86 已經不足以對抗來自華約的威脅，需要多達1,000 架現代化戰鬥機來替換這些老飛機。面對這一塊大蛋糕，各大飛機製造公司都紛紛推出自己的競爭機型。洛克希德提出的方案，正是F-104-7。後來，該機更名為F-104G。
F-104G 的設計初衷是作為一種高性能的全天候多用途戰鬥轟炸機，這和當初F-104A 的“純”晝間點防禦戰鬥機已經完全不同了。該機換裝了J79-GE-11A 發動機，加強了機體結構。加裝、換裝了大量先進的電子設備，包括自動駕駛儀、武器投射計算機、紅外夜視儀、新型無線電系統和敵我識別系統，以及F15A-41B 多功能火控雷達，使得該機具備了超低空高速飛行能力、精確導航和武器投射能力以及全天候作戰能力，性能全面提高。彈射座椅更換為馬丁·貝克的MK.GQ7(F) 。
荷蘭皇家空軍的F-104G。在巨大的空防壓力下，荷蘭空軍不得不咬牙買下昂貴的F-104， 而不是更加廉價的F-5
1960 年9 月1 日，F-104G 原型機首次試飛成功。該機其實是由第15 批次的一架F-104A（56-0770） 改裝而成。垂尾面積加大（和B/D 型相當）， 以提供更好的航向穩定性，這個設計後來成為F-104G 的標准設計。由於是改裝機，機體結構並未按照F-104G 的標准進行加強，很多電子設備也未能裝機。直到10 月5 日，第一架預生產型F-104G 才試飛成功。1961 年5 月，F-104G 獲准批量生產。
為了滿足要求，除了洛克希德自己生產了少數F-104G 外，大部分由歐洲4 個生產集團根據許可證生產，包括南方集團、西方集團、北方集團和意大利集團。
1973 年，F-104G 停產，共計生產1,127 架，先後裝備西德、希臘、挪威、土耳其、中華民國、比利時、荷蘭、意大利、丹麥、西班牙等國家和地區。
TF-104G 是F-104G 的雙座教練型，洛克希德設計代號583-10-20 。外觀和F-104D 類似，但取消了機身中線掛點，同時裝備了F15A-41B 多功能火控雷達。
該機全部由洛克希德製造，產量共計220 架，先後交付德國、荷蘭、比利時、意大利和中華民國。
除了擔負教練任務外，還有部分TF-104G 被改裝用於戰術偵察，這些飛機也被稱為RTF-104G
意大利空軍裝備的TF-104G。他們裝備的F-104S 沒有教練型，因此該型機的訓練需要依靠TF-104G
RF-104G 是F-104G 的戰術偵察型，洛克希德設計代號682-04-10 。該機拆除了M61A1 航炮， 並在腹部加裝航空偵察相機。大部分RF-104G 採用內置的3 台KS-67A 相機，，為此腹部增加了一個整流罩。但荷蘭空軍的RF-104G 則採用偵察吊艙，在外觀上和F-104G 並無多大差別。該型機共計生產189 架。
聯邦德國空軍RF-104G 和荷蘭皇家空軍同型機對比。前者在機腹整流罩內置偵察相機，後者則直接掛載偵察吊艙
正在進行火箭彈齊射的CF-104。該機主要用於攻擊和偵察，而只具備有限的對空能力
CF-104 是加拿大航空有限公司在F-104G 基礎上改進生產的攻擊偵察型，該機和歐洲版的F-104G 相比，主要區別是，採用了R-24A 火控雷達，改用加拿大製造的轟炸計算裝置，並採用加拿大仿製的J79-OLE-7 發動機，此外還拆除了M61A1 航炮以安裝增程油箱。
事實上，加拿大是繼德國之後第二個採用F-104G 作為下一代主力戰鬥機的國家。1959 年7 月2 日，加拿大皇家空軍宣布將和洛克希德聯合生產200 架CF-104 （原稱CF-111），並由洛克希德單獨生產38 架雙座教練型CF-104D（原稱CF-113）。和大多數歐洲版F-104G 不同，CF-104 沒有專門的戰術偵察型。它和荷蘭的F-104G 一樣，利用機身中線掛點攜帶戰術偵察吊艙（內置4 台“維騰”偵察相機），進行低空高速偵察。
1960 年9 月1 日，由一架F-104A 改裝的CF-104 原型機首次試飛。次年5 月26 日，加拿大自行生產的CF-104 首飛成功。1962 年12 月，第427 中隊首批換裝CF-104。此後，421、422 、430 、434 、439 、441 、444 中隊相繼換裝。1963 年9 月4 日，200 架CF-104 全部生產完畢。此後加拿大航空有限公司根據軍援計劃（MAP） 開始轉產F-104G，以裝備北約盟國和中華民國。
1970 年，加拿大空軍將所有CF-104 縮編為3 個中隊，以增強核打擊能力。到了1972 年初，CF-104 作戰任務改為對地攻擊，為此重新加裝M61A1 機炮，以及各類常規對地攻擊武器。1983 年起，隨著CF-18 的服役，CF-104 逐漸淘汰。至1986 年3 月1 日，最後一架CF-104 從441 中隊退役。此後，加拿大先後將48 架CF-104 移交土耳其空軍。
執行偵察任務返航著陸的CF-104。其機腹偵察吊艙外形和荷蘭的RF-104G 不同，頗令人詫異
正在進行夜間地面試車的CF-104D。耀眼的加力火焰與黑暗的背景形成強烈對比，令人震撼
CF-104D 是CF-104 的雙座教練型，由洛克希德生產（設計代號583-04-15）。該機和TF-104G 類似，但裝備了加拿大仿製的J79-OLE-7 發動機。該機於1961 年6 月14 日首飛，共計生產38 架（583A-5301～5338），全部交付加拿大皇家空軍使用。其中最後16 架，由於機載設備改進，被命名為CF-104D Mk.II 。
1971 至1973 年間，共有7 架CF-104D 被升級到TF-104G 標準，然後轉讓給丹麥空軍。1973 年，又有2 架CF-104D 轉讓給挪威。在CF-104D 從加拿大皇家空軍退役後，6 架該型機被送往德國翻修，然後轉讓給土耳其。
F-104J 是日本日本第2 次防衛計劃中為其航空自衛隊選定的截擊機，由三菱重工根據許可證仿製的F-104G 改型，洛克希德設計代號683-07-14。該機雖然由F-104G 發展而來，但由於政治因素，使得F-104J 並不具備G 型那樣突出的對地攻擊能力，在作戰使命上更接近於早期F-104A/C。
F-104J 採用石川島播磨仿製的J79 發動機，牌號為J79-IHI-11A。雷達改為NASARR 的截擊型F15-J-13，和CF-104 恰恰相反，這種雷達只具備對空工作模式，去掉了轟炸設備，從而限制了F-104J 的對地攻擊能力，不過總重也因此減輕到160 公斤。
1961 年6 月30 日，由洛克希德製造的F-104J 原型機試飛。隨後分解運往日本，次年6 月8 日， 重新組裝的原型機在小牧基地開始試飛。前3 架全部由洛克希德製造，之後29 架由洛克希德提供零件、由三菱重工組裝，最後178 架則全部由三菱重工生產。共計生產210 架。
F-104J 於1962 年10 月進入千歲基地的第2 航空團臨時訓練隊服役。1963 年3 月5 日， 擔負F-104J 訓練任務的第201 中隊組建。次年第5 航空團203、202、204 中隊相繼成立（均駐田原基地），這是首批組建的F-104J 作戰部隊。1965 年又組建了第6 航空團205 中隊（小松基地）、第7 航空團206 中隊（百里基地）。1966 年，最後一支F-104J 作戰部隊第7 航空團207 中隊成立。1974、1978、1981 年，201、206、205 中隊撤編，中隊所屬F-104J 退役。1982 年以後，202、203、204 中隊逐漸以F-15J 取代F-104 J。1986 年3 月，207 中隊撤編，日本的F-104J 至此全部退役。之後，部分F-104J 被移交中華民國空軍。
F-104J 和F-104DJ 都只具備對空作戰能力。與CF-104 恰好相反，堪稱精打細算的經典
F-104DJ 是F-104J 的雙座教練型，洛克希德設計代號583B-10-17。該機是基於F-104J 改進的，基本設計、航電配置都和F-104J 相同，而與F-104D 無關。該機1962 年7 月開始生產，至1964 年1 月止，共生產20 架。全部是由洛克希德提供零件，由三菱重工組裝的。該機從航空自衛隊退役後，也有數架被轉交中華民國空軍。
F-104N 是洛克希德專門為NASA（太空總署）製造的高速伴隨護航機，其實就是F-104G，共生產了3 架。NASA 本來也有F-104， 但都是空軍轉讓或租借的，因此這3 架被專門賦予F-104N 的設計代號。
1963 年8 月～10 月，3 架F-104N 相繼交付NASA， 並分別被賦予NASA 機尾號011～013。其中013 號機在1966 年6 月8 日發生嚴重飛行事故。當時北美XB-70A 轟炸機2 號機正在為首次公開作空中攝影飛行。飛行中，護航的013 號機突然左滾，掠過XF-70A， 將其右垂尾的50％和幾乎整個左垂尾全部切掉。013 全身起火，飛行員約瑟夫·沃克爾（此人是NASA 首席試飛員）當場喪生。XB-70A 也失去控制，機長阿爾文·S·懷特跳傘受傷，副駕駛卡爾·S·克羅斯未能逃生。剩下兩架後來重新以民用飛機註冊，註冊號為N811NA 和N812NA。
這就是那次慘烈的空中相撞事故。XB-70 真的應了它的綽號，成了不折不扣的“亡靈使者”
1965 年，意大利空軍提出“ 全天候截擊機”項目（AWX）。洛克西德在F-104G 的基礎上改進設計，以CL-980 方案的名稱參與競標。當時的競爭對手還包括達索幻影III、道格拉斯F-4、諾思羅普F-5 以及北美F-100。最終CL-980 戰勝各家對手，被意大利空軍選中。後該方案定名為F-104S——S 指“麻雀（SPARROW） ”，表示該機可以攜帶AIM-7“麻雀”半主動雷達製導飛彈。
洛克希德將一架RF-104G 改裝，作為F-104S 的原型機。後來又根據意大利要求，改裝兩架菲亞特公司生產的F-104G 作為原型機。1966 年12 月， 第一架F-104S 原型機試飛。1968 年12 月30 日，由菲亞特F-104G 改裝的原型機也加入試飛。
F-104S 換裝了J79-GE-19 發動機，推力增大13％ 。基本保留F-104G 的火控系統，但機載雷達改用R-21G/H 多功能火控雷達，並增加了AIM-7E“麻雀”導彈的控制設備，具有製導“麻雀”導彈的能力，以及地面測繪和地形迴避能力。機翼下再增加一對外掛點，從而使全機外掛點增至9 個，載彈量提高到3,402 公斤，大大豐富了掛載方案。不過，為了安裝新型航電設備，M61A1 機炮被拆除，砲口封死。垂尾面積略有增大，並改用雙腹鰭設計。
1969 年，首批F-104S 出廠， 並於當年6 月交付意大利空軍。意大利空軍先後訂購2 批共205 架F-104S，裝備第9、10、12、21、22、23 等6 個飛行聯隊。土耳其空軍也於1974 年10 月訂購40 架F-104S 。1979 年3 月，全部245 架F-104S 生產完畢。這是最後一批生產的F-104。
F-104S-ASA 源自F-104S 的武器系統升級計劃。其目的是延長F-104S 的服役壽命，使之可以繼續服役到21 世紀初，由歐洲戰鬥機（當時還稱作EFA）取代。
1984 年12 月，F-104S-ASA 項目正式展開。這一項目全部針對武器系統，而不涉及機體改進。主要改進包括：換裝具有下視下射能力的菲亞特R-21G/M1 火控雷達，搜索距離增加到35 公里；換裝新型北約敵我識別器；換裝武器投射計算機；換裝自動俯仰控制計算機；換裝改進的電子對抗設備；更換操縱面伺服機構；近距導彈採用先進的AIM-9L， 具備全向攻擊能力；中距導彈除了可以掛裝原來的AIM-7E “麻雀III” 外，還可以掛裝意大利自行仿製改進的“阿斯派德”1A 飛彈；重新加裝M61A1 機炮。
1988 年起，經過升級改進的F-104S-ASA 陸續服役， 前後共改裝150 架。未經改裝的F-104S 於90 年代末陸續退役。
F-104S-ASAM 是F-104S-ASA 的防空能力增強型，這是由於歐洲戰鬥機（EF2000） 計劃進度滯後而迫使意大利空軍不得不採取的過渡措施。主要針對F-104S-ASA 的無線電和導航系統加以改進。改進計劃於1992 年初開始實施，先後有90 架F-104S-ASA 升級為F-104S-ASAM。
就外觀而言，實在很難分清F-104S/S-ASA/S-ASAM 這三種型號。自上而下分別是F-104S、F-104S-ASA 和F-104S-ASAM。由於航炮是選裝設備，在這三架機身左側只能看到封死的砲口
F-104 真正的設計目標是一種高性能的晝間戰鬥機。其設計重點在於高空高速、大爬升率，為此犧牲了續航能力和盤旋性能。為了降低造價和減輕重量，早期的F-104 並不具備多用途能力，設備也簡單。其實就是一種純粹的晝間點防禦戰鬥機，主要用於近距離對空作戰。在某種意義上說，早期的F-104 就是一種M2 一級的“超級米格-15”。
F-104 最初設想的作戰模式是在超音速狀態下巡航（當然是開加力的，和現代的“超音速巡航”完全是兩種概念）和空戰，為此高空高速性能成為重中之重。為了實現設計目標，凱利·約翰遜採用了獨樹一幟的設計。
薄得可以“切牛排”的F-104 機翼和同時代的米格-21 的機翼前緣半徑對比。可以看出，即使和同樣注重高速性能的米格-21 相比，F-104 的機翼前緣半徑仍然要小得多（上/中上）
高效率的吹氣襟翼大幅改善了F-104 的低速性能，使得這種高速構形飛機能夠滿足空軍的起降要求（中下）
只能單向偏轉的副翼。由於翼展小，副翼操縱效率令人擔心，而T 形尾翼佈局大迎角操縱性極差，二者結合使得飛機一旦失控就可能根本無法改出（下）
全機採用正常式佈局，單發單座，兩側進氣，機翼為帶大下反角的平直翼，T 形尾翼佈局。為了減小阻力，機身長細比較大，並有明顯的蜂腰設計。
其機翼設計尤為特殊。為了抑制飛機在俯仰軸和航向軸產生耦合動作（即荷蘭滾）的趨勢，機翼採用了高達10 度的下反角。機翼平面形狀為小後掠角的平直翼系列。翼展極小，僅有6.68 米！以至於試飛員第一次見到XF-104 時竟然問到：“機翼在哪兒？”翼根和翼尖的相對厚度均只有3.36％。由於機翼弦長小，翼根絕對厚度也很小，只有0.105 米！機翼前緣半徑更是小到令人瞠目的地步——只有0.41 毫米！有人開玩笑說，這已經可以拿去切牛排了。這樣特殊的機翼根本無法以常規方法製造，而且常規結構也無法保證其強度，所以F-104 的機翼實際上就是用實心鋼板銑出來的。為了減阻，其機翼面積也相當小，僅有18.22 平方米。
為了降低起降速度，F-104 還採用了附面層控制技術（也就是現在的“吹氣襟翼”），從而成為世界上第一架採用這種技術的戰鬥機。常規襟翼放下後，在其上表面會產生紊流，從而導致襟翼效率下降。F-104 則從發動機第17 級壓氣機處引氣至襟翼、機翼結合部，當襟翼放下至15 度時，引氣系統開始工作，當襟翼達到45 度最大偏度時，引氣系統也處於全開狀態。高壓氣流從襟翼鉸鏈線處的狹縫沿襟翼上表面噴出，給當地附面層補充能量，減小了由於附面層分離而導致的紊流，從而提高了襟翼效率，F- 104 的失速速度因此減小了15 節！全展向前緣襟翼和後緣襟翼聯動，用於飛機起降和低速機動。副翼比較特別，只能單向偏轉，並且受後緣襟翼影響，當後緣襟翼處於全放下位置時，副翼只能達到最大偏角的65％。
F-104 採用T 形尾翼佈局，顯然是出於減阻的考慮。T 形佈局，平尾的尾臂長，因此面積可以減小，配平阻力也小。但這種佈局最大的問題是，較大迎角時，由於受機翼下洗流影響，平尾可能失去操縱能力——一旦飛機進入失控狀態，這種缺陷很可能是致命的。全動平尾是作為一個整體組件安裝在垂尾頂部，因此無法差動——事實上這種設計，差動的效果也不會好。
由於高聳的T 形平尾，加上F-104 的高速度，使得洛克希德的設計人員認為，常規向上彈射方式很可能造成飛行員與尾翼相撞，從而嚴重威脅飛行員的安全。為此，洛克希德為F-104 設計了獨特的向下彈射座椅——當然，這種方式並非他們首創，共和的XF-103 也是如此。但問題是，根據後來的統計數據，大多數彈射都是在低空低速階段，高空高速彈射是極其罕見的。向下彈射方式使得飛行員在起降階段和低空難以逃生。連續多次彈射失敗之後，洛克希德最終決定重新為F-104 設計向上彈射的座椅，即C-2 型座椅。為了防止飛行員彈射後撞尾翼，C-2 座椅的彈射火箭的推力加大了，以縮短飛行員在尾翼前方危險區的停留時間。此外，C-2 座椅還設計了飛行員肢體保護裝置：座椅底部的保護拉索掛在飛行靴後跟，一旦彈射程序啟動，拉索自動收回，將飛行員雙腿拉回以避開上面的儀表板——否則彈射時飛行員的雙腿可能會被儀表板切斷。
F-104 採用了通用動力公司研製的J79 渦噴發動機。在當時來說，這是一種相當先進的發動機，推重比較高，迎風面積小，耗油率較低，因此被凱利·約翰遜選中作為F-104 的首選動力。其改進型後來在F-104 後期型、F-4、以色列“幼獅”戰鬥機甚至F-16 的出口簡化型F-16/79 上都得到應用。在利用J79 的強大推力，F-104 的最大平飛速度可以達到M2 以上。為了和這種先進的發動機匹配，F-104 採用3 維多波系超音速可調進氣道。利用半圓錐形的激波錐前後移動調節進氣道喉道面積，配合放氣系統和旁通系統，使得進氣道在各種飛行條件下都能滿足發動機的要求。這種設計在今天很多人看來都很平常甚至早已過時，然而在那個年代，這種設計卻被列入“絕密”。在當時公開的所有F-104 照片上，其進氣口細節全部被保護罩擋住了——那情形倒是和80 年代末F-117 和B-2 剛公開時差不多。
總的來看，F-104 的設計特點就是：高翼載、高推重比（相對當時飛機），特別強調速度、升限、加速和爬升能力。其減阻手段簡直發揮到了極致。前緣半徑極小的菱形翼型設計，自F-104 之後再也沒有在其它戰鬥機上見過。這種翼型的高速性能固然不錯，但由於前緣半徑太小，氣流很容易分離，導致飛機失速——偏偏T 形尾翼在大迎角失速狀態下效率極低，很可能難以改出——從而限制了飛機的盤旋性能。加上縮小機翼面積導致的高翼載（正常起飛重量時即超過500 公斤/平方米），F-104 的盤旋能力可以說相當糟糕。以我們今天的觀點來看，我們可以指摘F-104 這樣那樣的不是。但就像美國空軍某位官員說的，如果我們不放棄其中一些性能，我們就得不到我們想要的性能。如果F-104 不犧牲盤旋能力和續航能力，它還能實現其它設計指標嗎？
採用向上彈射方式的洛克希德C-2 火箭彈射座椅。實際上最初決定採用向下彈射方式，和F-104 的T 形尾翼以及其主要設計任務剖面不無關係。但向下彈射顯然不利於發生概率最高的低空彈射。權衡利弊之後美國人終於回到傳統的向上彈射方式
F-104 的外部典型特徵——T 形尾翼。這種佈局是特定要求、特定條件下的產物，F-104 的不少事故源自這個設計。回頭想想，凱利·約翰遜當年是否有其它選擇呢？這是個頗有意思的問題
F-104C 的火控系統
AN/ASG-14T（MA-10）火控系統實際上自YF-104 開始裝備，A/B/C/C 四個主要機型均有採用，只是隨時間推移略有改進，從而使原本設計作為晝間截擊機使用的F-104 具有在夜間簡單條件下作戰的能力。不過由於設計初衷的限制，使得採用該系統的F-104 只具有有限的對地攻擊能力——即使是戰術攻擊型C/D 型也是如此。
該系統由通用電氣和美國無線電公司研製，由光學瞄準具分系統、紅外瞄準具分系統（紅外觀察儀）、搜索/ 測距雷達分系統組成。其主要功能包括：搜索、跟踪空中目標，測定目標距離；計算航炮前置角；計算“響尾蛇”飛彈的發射區域；對地面目標進行概略瞄準。在對空攻擊時，可以使用M61 “火神”機炮或AIM-9“響尾蛇”導彈，分別以前置跟踪/純追踪方式射擊；對地狀態時，主要使用機炮、炸彈、火箭彈，以固定光環瞄准進行俯衝攻擊。
從聖胡安機場加力起飛的F-104C， 翼下外掛物疑為火箭發射巢。這種飛機由於火控系統的限制，仍只具有簡單的對地攻擊能力。今天能看到的F-104C 掛載對地武器的照片並不多
正在接受波音KC-97 “同溫層加油機”空中加油的F-104C。由於過於強調高速性能，使得F-104 的續航能力遠不能滿足美國空軍的要求。即便加裝了空中受油管，這種飛機依然不討空軍喜歡
光學瞄準具分系統
該系統是火控系統的核心部件，不僅擔負火控計算任務，還是主要的攻擊顯示部件。其主要功能是：計算航炮對空射擊的前置角：計算“響尾蛇”導彈的發射區域；對地目標概略瞄準。由於F-104C 服役期間系統改進，該系統具有兩種光學瞄準具：序號56-938 之前的F-104C 採用擾動光學瞄準具，光環直徑隨目標翼展和距離在5～60 毫英寸之間變化（目標翼展需手動裝定）；後期型採用雷達測距，取消光環測距功能，光環直徑固定為50 毫英寸。
紅外瞄準具分系統
其主要功能是在夜間或雷達受干擾時指示目標方位，以叉線形式顯示在瞄準具上，叉線交點即目標位置。該系統對4 發大型目標作用距離22.5～24 公里，對戰鬥機大小的目標作用距離1.6～6.5 公里。
F-104A/C 的雷達系統組件與外形古怪的天線。以上兩圖攝於F-104A
雷達分系統
主要功能：搜索空中目標；測定目標距離，並以電壓形式輸送給瞄準具；提供發射導彈所需的距離範圍、角度範圍。
雷達重量77 公斤，拋物面天線直徑約70 厘米。工作頻率9,000～9,600 兆赫。搜索範圍範圍32 公里，採用螺旋掃描方式，此時波束為3.9° 圓錐波束；跟踪距離16 公里，採用圓錐掃描方式，此時波束為3.9°×10° 扇形波束。
該雷達有3 種工作狀態：
搜索狀態：當F-104 被地面引導至預定空域後，即開始以螺旋掃描方式搜索目標。當目標距離在16～32 公里之間時，以圓弧形式顯示；當目標接近到16 公里以內時，即以圓環方式顯示，飛行員按下跟踪開關後，雷達進入跟踪狀態。
跟踪狀態：此時天線進行在機頭前20° 空域內進行圓錐掃描。天線反向旋轉（順時針轉向逆時針），並藉助反向的慣性力把拋物面反射器撐開一個縫隙，波束變成扇形波束。由跟踪轉入搜索的過程與此相反。在跟踪狀態下，雷達顯示器距離刻度設定為16 公里，距離波門（圓環形）在228.5～2,742 米之間不斷擴大縮小，直至碰上目標，此時目標圓和距離波門重合，目標截獲，“鎖定”指示燈亮。雷達開始連續向光學瞄準具輸出目標距離信息，瞄準具則自動計算射擊前置角。若需截獲其它目標，則可以再次按下跟踪按鈕，重複上述過程。
抗干擾狀態（自動尋的狀態）：此時雷達發射機不工作，只作為無線電定向器使用。無論從前述哪一種狀態轉入抗干擾狀態，天線掃描方式均保持原樣不變。顯示器刻度為32 公里，但由於無回波信號，距離刻度無意義，只能確定乾擾源方向。
核戰背景。
F-104 的主要型別，攻則具有核突擊能力，守則強調截擊能力，具有鮮明的時代特徵。在F-104 的時代，世界始終處於核大戰的陰影下。各國軍方的主要觀點是，未來的戰爭必然以大規模的核突擊作為開場，戰略轟炸機和具有核突擊能力的戰鬥轟炸機將是空軍的打擊主力。作為應對措施，除了自己也要具有同樣的攻擊能力外，首先要對付的就是這兩大機種，則強調截擊能力成為必然的結果，而空戰格鬥被認為早已過時。正因為如此，F-104 才能榮登60 年代三大標準戰鬥機之一的寶座。也正因為如此，經濟拮据的一些歐洲國家才能咬牙買下仍屬“貴重”商品的F-104，而不是更加廉價、機動性更好的F-5A/B——雖然後來“自由戰士”也在歐洲賣出了一些，但其影響和作用遠不如F-104。
60 年代三大標準戰鬥機F-104（上）、米格-21 （中）、幻象III （下）。三者的共同點是具有突出的高速攔截能力。但由於作戰要求、設計思想的差異，三種飛機在性能上各有千秋
返航著陸的荷蘭空軍RF-104G， 後機身減速板已經打開，主起落架即將接地。照片上可以看到前緣襟翼偏轉角度相當大，配合後緣吹氣襟翼，提高了機翼升力線斜率，使得該機不需要拉出太大的著陸迎角。這也在程度上緩解了T 形尾翼佈局帶來的上仰問題。
現在除了意大利還有少量F-104 外， 其它的F-104 都已全部退役。從首飛至今近50 年，F-104 之於世人，早已耳熟能詳。但對於這種飛機的評價爭論，卻是至今仍未平息。
