1954年10月5日，装备J65-W-7的第二架XF-104（53-7787）首次试飞。该机被用作武器试验平台，因此装备了20毫米M61A1机炮，以及AN/ASG-14T-1火控系统。在最初的对空火力测试中，M61A1机炮表现良好。在12月17日，当时，XF-104正在进行射击试验，M61A1发生膛炸，紧接著J65发动机转速急剧变化，处于极度不稳定状态。经验丰富的首席试飞员托尼·勒维尔立刻关闭发动机，进行空滑迫降，最后在罗杰斯干湖上成功着陆。事后调查发现，一发20毫米炮弹在膛内爆炸，碎片飞出来击穿中机身油箱。燃油喷到炮舱内，并从舱门缝隙漏到左侧进气道内，使得发动机由于严重漏油而熄火。在这件事当中，勒维尔能安全脱险。
F-104、F-5、F-106、F-102做地面展示
在1955年4月14日，当时R·菲斯·索曼正驾驶2号机在15,240米高空进行机炮射击试验。机炮在射击时发生故障，产生严重振动，撞松了飞机腹部的弹射舱门，导致座舱急速失压。索曼的抗G衣因此迅速膨胀起来，挡住了他的视线。他立刻想到12月勒维尔的那次事故，认为自己也遇到了同样的事件，在没有选择下跳伞。然而他事后发现，他本来可以挽救这架飞机的：飞机本身没有严重问题，只要降到低空，抗G衣自然也收缩下来，视线也不会受阻了。由于这次事故，洛克希德损失了仅有的武器试验平台，不得不改装一架F-94拦截机应急。
XF-104设计草图
1955年12月，XF-104的1号机交付美国空军。在1957年7月11日坠毁，该机正在为一架F-104A伴随护航，却遇到尾翼颤振问题。由于严重颤振，整个尾翼结构被破坏，从机身上脱落，试飞员比尔·派克被迫跳伞。至此，XF-104原型机全部损失。
F-104G的襟翼
J79发动机在1954年完成，而真正导入J79的F-104－YF-104A此时才开始制造，在1954年3月，美军和洛克希德签约订制17架换装J79的F-104。与XF-104相比，YF-104A的机身为了配合J79延长了1.68公尺，YF-104A最初配备的是无后燃器之YJ79-GE-3（推力9,300磅），但随后即换装配备后燃器之J79-GE-3A（后燃推力14,800磅）。YF-104A在1956年2月17日首飞，这17架先导量产机进行相关飞行测试。洛克希德从它们的测试中为F-104进行部分改良，包括强化机身结构、装设提高飞行稳定性的腹鳍、降低降落速度的边界层控制（英语：Boundary layer control）装置。然而J79后燃器的开发延误，以及美国空军要求整合AIM-9响尾蛇飞弹，导致F-104服役进度仍遭到拖延，直到1958年1月28日，首架正式量产型F-104A才拨交给美国空军第83拦截机中队服役。
展示在伊斯坦堡Aviation Museumin的F-104
设计美国飞行员在经历韩战后，普遍认为新战机应重点突出轻巧、高爬升率及高速性能。因此，F-104设计时将重点放在高空高速及高爬升率，而牺牲续航力和水平机动性。F-104本来用于替换空军的F-100战机，因此需要担当制空战机及战斗轰炸机的角色。但由于其研发进度滞后及其挂载能力有限，后被改为防空拦截机，以填补F-106三角标枪战斗机服役前的空档。防空司令部因为F-102与F-106的开发延宕，因此接受了F-104作为临时垫档机种的构想，尽管它的系统与武装并不适用于大区域防空拦截。
西班牙空军F-104G
F-104采用布局，单发单座，两侧半圆带调节锥进气道，机翼为带大下反角的小展弦比梯形翼，高平尾布局（亦称T形尾翼布局）。为了减小穿音速阻力，其机身细长，并具备符合跨音速面积率的蜂腰设计。为了抑制飞机在俯仰轴和航向轴产生耦合动作（荷兰滚）的趋势，机翼采用了高达10度的下反角以提升其滚转稳定性。
挪威皇家空军RF-104G
F-104在当时同时代战斗机中，设计最为前卫之处是机翼。有别于当时超音速战机机翼主流是采用后掠翼或是三角翼构型兼顾空气阻力、升力及内部容积，洛克希德从X-7试验机的测试了解到最适合超音速飞行的翼型是笔直、极薄、且中置于机身的梯形翼。该梯形翼的后掠角仅26度，但是机翼使用极小的相对厚度（3.36%，后期略微增厚）以及展弦比仅有2.45的设计减低飞行阻力，为了保证机翼轻薄而具备足够的结构强度，其材质是由实心钢板铣削而成。F-104的机翼前缘厚度仅有0.16英吋（0.41公厘），在美国电影“星战F-104”（原文THE STARFIGHTERS）中，则有以F-104机翼切割纸张之画面。由于既薄且锐利，很容易造成地勤机务人员被割伤，因此落地保养时会在机翼套设保护罩避免受伤。
展示在Militaire Luchtvaart Museum Soesterberg (Netherlands)的荷兰皇家空军的F-104
也由于机翼过薄，F-104的机翼也几乎没有可用容积装设其它航空机材，驱动副翼的液压缸厚度就被限制在1英寸内以便于安装。而油箱、起落架等全部都装在机身中，恶化了F-104本身的续航力。
襟翼为了满足超音速设计需求，F-104使用了不同于常规的机翼设计构型，也导致F-104具有非常高的翼负荷。为了降低起降速度，F-104还采用了边界层控制技术（亦称“吹气襟翼”），从而成为世界上第一架采用这种技术的战斗机。常规襟翼放下后，在其上表面会产生紊流，从而导致襟翼效率下降。F-104则从引擎第17级压气机处引气至襟翼、机翼结合部，当襟翼放下至15度时，引气系统开始工作，当襟翼达到45度最大偏度时，引气系统也处于全开状态。高压气流从襟翼铰链线处的狭缝沿襟翼上表面喷出，为当地附面层补充能量，减小了由于附面层分离而导致的紊流，从而提高了襟翼效率，F-104的失速速度因此减小了15节。全展向前缘襟翼和后缘襟翼联动，用于飞机起降和低速机动。副翼比较特别，只能单向偏转，并且受后缘襟翼影响，当后缘襟翼处于全放下位置时，副翼只能达到最大偏角的65％。
一架美国空军F-104A在加州汉密尔顿空军基地装载到C-14全球霸王II运输机运输机上，准备运往日本（1958年）
航电与武备初期的F-104电子装备安装了由RCA开发的AN/ASG-14T1（MA-10）射控雷达、太康天线、AN/ARC-34无线电（英语：AN/ARC-34），在开发G型时为了合乎对地攻击与全天候作战的需求换装了Autonetics F15A NASARR雷达与李顿LN-3惯性导航系统（英语：LN-3 inertial navigation system）。AN/ASG-14雷达采用抛物面天线，天线尺寸直径61公分（24英吋），早期款式的搜索模式是雷达采用螺旋型扫描，天线可控空间为90度，最远侦测距离为20英里（32公里），后期增加到40英里（64公里），由于当时的雷达尚未解决地面杂波干扰问题，实用高度要在3,000公尺以上才能正常使用。追踪模式天线扫描可控区域会缩小到20度，可追踪10英里（16公里）距离的目标。而雷达还有第三种被动追踪模式，可用于锁定释放电子干扰讯号的来源。
1958年9月15日，美军83战斗拦截中队部署在日本空军横滨基地的洛克希德F-104A型战斗机
实战柏林危机：在1961年柏林危机期间，约翰·肯尼迪总统招集148,000名美国国民警卫队和后备人员于8月30日现役，以响应苏联切断盟军进入柏林的行动。21,067人来自国民警卫队，组成18个战斗机中队、4个侦察机中队、6个运输中队和一个战术控制大队。1961年11月1日，美国空军动员了另外三个来自国民警卫队的战斗机拦截中队。10月底-11月初，八支战术战斗机部队在阶梯行动中带著216架飞机飞往欧洲。由于航程较短，11月底有60架 F-104A 空运到欧洲，其中包括第151战斗-拦截机中队和第157战斗-拦截机中队（英语：157st Fighter-Interceptor Squadron），与三年前的台湾海峡危机一样，星式战斗机并没有直接与任何敌方战斗机交战，但它的存在提供了强大的空中优势威慑力；它在练习拦截期间表现出非常快的反应时间和堪称典范的加速度，并被证明优于战区中的所有其他战斗机。危机在1962年夏天结束，国民警卫队人员返回美国，但F-104的出色性能帮助说服美国航天宇宙防御司令部于次年召回一些F-104回到美国空军服役。
一架美国空军第151战斗-拦截机中队的F-104A星式战斗机部署在西德拉姆施泰因空军基地，1961年
越战美国空军只有F-104C/D曾经投入越战，越战期间并未与米格机发生任何空战，不过仍有8架在战斗中损失，另有6架因意外失事损毁。
1965年4月美国空军派遣了一个中队25架F-104C前往东南亚。往后8个月的驻防期间，来自加州乔治基地的479战术战斗机联队下辖的三个中队轮调到南越的岘港。
F-104C最初是担任B-52轰炸北越时的米格机战斗空中巡逻任务（MiGCAP），不过没有战果，后来改为在树梢高度飞行的空中密接支援攻击任务。这段期间479联队的三个中队共出动2269架次，累积8820飞行时数，并曾创下一个月内每架战机70小时的出勤率。
一部F-104B在美国加州展览
在对地支援任务期间，美军共有三架F-104C被北越地面防空炮火击落。另外有两架因夜间在空中相撞而坠毁。
1965年9月20日夜间，由史密斯上尉（Philip W. Smith）所驾驶的一架F-104C在东京湾执行米格机战斗空中巡逻时，因为导航系统故障而偏离航向，最后迷航至海南岛上空被解放军海航的歼六击落，此架飞机成为全世界第一架在空战中被击落的F-104。
1965年12月479联队即调回美国本土。
1966年3月，其中一个中队又重返南越，并隶属美国第七航空军之下。
美军F-104C共执行3506架次的对地任务，累计1706个飞行时数。
越战为美国空军的F-104唯一参与的战争。
摄于1965年6月，隶属当时西德空军第74战斗机联队（JG 74）的F-104G编队飞行。
印巴战争1971年印度与巴基斯坦发生战争冲突，于1971年12月，印度的MiG-21曾与巴基斯坦的F-104交战，印军米格21成功击落四架巴军F-104，造成西欧与远东的F-104使用国极大震撼；自此之后，东德、中华人民共和国、伊拉克、朝鲜、埃及、叙利亚也配备了米格21，更使得西德、日本、韩国、伊朗等配有美国战机的国家对MiG-21感到芒刺在背。
南斯拉夫战争
意大利的F-104S在北约攻击南斯拉夫时亦有参战，形成了第二代战斗机F-104、第三代战斗轰炸机F-4、第四代战斗机F-14、F-15、F-16等跨世代战机同时参战的罕见战役。
日本航空自卫队第2航空团第203飞行队所属的F-104J于韩国光州机场降落，摄于1982年。
生产次型
F-104A/NF-104A/QF-104A
1956年3月2日，美国空军向洛克希德首次订下了15架F-104A的订单。F-104的机体结构加强，以使得飞机最大可用超载达到7.33G。原来在YF-104A上属于试验性质的单腹鳍成为标准设计，用于改善飞机高速航向稳定性。原来属于过渡性质的AN/ASG-14T-1火控系统仍然保留，但后来第10批次改进为AN/ASG-14T-2火控系统。由于附面层控制系统效果显著，使得F-104A尽管重量增大不少，而着陆速度只比早期原型机增大5％。机上还装有自动俯仰控制系统：当飞机接近失速时，系统会令操纵杆产生振动，警告飞行员；如果飞行员无视警告，继续保持原来的飞行状态，该系统会自动推杆，迫使飞机低头以免失速。
意大利空军F-104编队
美国加利福尼亚州哈密尔顿空军基地的第83拦截机中队是第一个装备F-104A的部队，该部于1958年1月26日开始换装F-104A，并于2月20日形成初始作战能力。美国防空司令部所属的第56中队、第337中队、第538中队也相继装备。
1958年12月，最后一架F-104A交付美国防空司令部，总数7批共153架F-104A全部交付完毕，加上17架最后升级到F-104A标准的YF-104A，也才170架，远少于当初计画生产的722架。F-104A未能满足防空司令部的要求，F-104A原本就是设计作为昼间近程制空战斗机，由此提出的各项指标、技术要求和截击机并不完全一致，但短航程限制了该机在的阿拉斯加部署的能力。5个装备F-104A的中队均未部署到阿拉斯加，而那里恰恰是北美空防的第一线。此外，原来的昼间作战用途使得F-104A不具备全天候作战能力，也无法与北美防空体系的半自动地面引导拦截系统（SAGE）相容。因此，F-104A在防空司令部所能发挥的作用极其有限，到1960年底就退役了，被道格拉斯的F-101B巫毒和康维尔F-106A三角标枪全天候截击机所取代。
西德空军于机上加装的机炮
1960年，随着F-104A从防空司令部退役，24架YF-104A和F-104A被改装成无线电遥控靶机，型号改为QF-104A。该机全部喷上红色条纹，交付佛罗里达州埃格林空军基地的3205靶机中队使用。和大部分改造的靶机一样，QF-104A仍保留了载人飞行能力，但也可以由地面遥控飞行。后来这批飞机大部分在导弹试验中被击毁。
1963年，3架美国空军退役封存的F-104A（56-756，56-760，56-762）被重新启封，改装为训练太空人使用的教练机，其型号改为NF-104A。NF-104A所有武器系统全部拆除，原来的垂尾被后来F-104G所用的大型垂尾代替。翼展增大到7.60米。在机头、机尾及翼尖加装了过氧化氢燃料箱，为在垂尾根部加装的LR121/AR-2-NA-1辅助火箭发动机（推力达2,722公斤）提供燃料。这种火箭发动机推力可以在1,361～2,722公斤之间调节，燃烧时间达105秒。1963年10月1日，第一架NF-104A交付使用。另两架也在一个月内交付。它们的使用者是位于爱德华兹空军基地的航天研究飞行员学校，当时该校负责人正是首次突破音障的查尔斯·E·耶格尔上校。1963年12月6日，第一架NF-104A创造了一项非官方世界飞行高度纪录——36,229米。当时这一纪录的官方数字是34,695米，由米格-21原型机之一E-66创造的。后来，R·W·史密斯驾驶这架NF-104A飞到了36,820米的高度。同年12月10日，NF-104A 2号机由耶格尔上校驾驶时，在31,699米高度失控，飞机进入平尾旋无法改出而坠毁。耶格尔在3,000米高空跳伞，脸部却被弹射座椅的火箭发动机火焰严重烧伤，但总算得以幸存。调查结果显示，飞机由于迎角过大，平尾又难以给予响应——T形尾翼布局和菱形翼型组合的缺点在此暴露无疑——导致飞机进入平尾旋而坠毁。但过大的迎角并不是耶格尔造成的，当时他正关闭J79发动机，准备用火箭发动机驱动进行大角度爬升。但J79关车后产生严重的陀螺效应，导致飞机迎角急速增大，平尾又无法抑制，最终进入尾旋。1971年6月，第3架NF-104A由霍华德·C·汤普森上尉驾驶时，由于尾部火箭发动机爆炸，导致飞机严重受损。迫降成功后发现，火箭发动机和半个方向舵都已经炸飞了。由于训练计划即将结束，NF-104A 3号机已无修复价值，该机就此除役。
驾驶舱
F-104B
F-104B是专门用于F-104A改装训练的双座教练型，洛克希德设计代号为283-93-03。B型的座舱加长，以容纳第二个座位，其座舱盖改为向左侧开启，且增加一套操纵系统，两套操纵系统都具有全部控制能力。同时，为了给第二个座位提供空间，原来的M61A1航炮被取消，内部布置重新调整，部分航电设备有所移动。机内的内部载油量由3,395升减少到2,763升，而机载武器只有两枚AIM-9B响尾蛇导弹，不过保留了早期A型的AN/ASG-14T-1火控系统。该机垂尾面积加大，以保证足够的航向稳定性，且前起落架再次改为向后收起。
比利时空军F-104
F-104C
F-104C是A型的战术攻击型，洛克希德设计代号为483-04-05。该机是针对F-104A航程短、载弹量小的缺点改进设计的，且为满足战术空军司令部的要求。战术空军司令部认为需要一种超音速战术攻击机来填补亚音速的F-100超级军刀和两倍音速的F-105雷神之间的空白，而F-104C恰好可以满足需要美国空军在越战也用F-104C去炸射尤其使用火神炮扫射，发动机也从A型的J79-GE-3更新为J79-GE-7。
加拿大皇家空军CF-104
1956年3月2日，美国空军向洛克希德下达了一份56架的订单。当年12月26日，美国空军又追加订购21架F-104C，令订购数量增加到77架。美国空军曾在越战中短时间使用过F-104C型战机，但因未达到预期的护航效果，不久就退出越南战场。并曾经因迷航而于1965年9月20日，在中国大陆海南省邻近海域上空，被中共歼六战机击坠一架F-104C（56-883号机）。
美国波多黎各空军国民警卫队装备的F-104D，摄于1967年
F-104D
F-104D是C型的双座教练型，洛克希德设计代号为383-04-06，但实际上是由B型改进而来。该机共生产了21架，有3个批次。和B型相比，该机在外观上最大的区别是D型的座舱盖在前后舱之间增加了隔框。从57-1320号机开始，F-104D均加装了和C型机同样的固定式受油管。
1958年11月至1959年8月，所有21架F-104D全部交付第479联队。
在美国路克空军基地（Luke AFB）的Luftwaffe TF-104G，摄于1982年
F-104F
F-104F是专门为西德空军生产的双座教练机，洛克希德设计代号为483-04-08，用于在洛克希德F-104G战斗机服役之前培训飞行员。该机由F-104D改进而来，换装用于F-104G的J79-GE-11A引擎，换装马丁·贝克弹射座椅，但机身结构未经加强，也未装备全天候雷达。
F-104F共生产了30架，大部分装备西德空军，还有少量装备西德海军航空部队。1971年12月，该机被F-104G真正的双座教练型TF-104G取代。
德国海军F-104G，摄于1984年
F-104G
日本三菱重工1960年开始授权生产的F-104G版本共230架，由F-104G修改并取消对地攻击能力及换装部份日制电子设备的机种，发动机由奇异公司授权石川岛播磨重工业生产的J79-IHI-11A。F-104J代号“荣光”，自卫队内昵称“三菱铅笔”，双座教练机种则被称为F-104DJ。日本空中自卫队的F-104J服役至1986年退役，其空中拦截之任务由F-15J所取代。除役后的飞机在90年代作为无人机和靶机的研究题材，共14架被改为UF-104JA靶机。
希腊空军335中队的F-104G
F-104N
F-104N是洛克希德专门为NASA制造的高速伴随护航机，由F-104G改装，共生产了3架。NASA本来也有F-104，但都是空军转让或租借的，因此这3架被专门赋予F-104N的设计代号。1963年8月～10月，3架F-104N相继交付NASA，并分别被赋予NASA机尾号011～013。其中013号机在1966年6月8日发生飞行意外。当时013号机伴随XB-70A2号原型机为其首次公开作空中摄影飞行。飞行中，护航的013号机突然左滚，掠过XB-70A， 将其右垂尾的50％和几乎整个左垂尾全部切掉。013全机起火，飞行员约瑟夫·沃克尔（此人是NASA首席试飞员）当场丧生。XB-70A也失去控制，机长阿尔文·S·怀特跳伞受伤，副驾驶卡尔·S·克罗斯未能逃生。剩下两架后来重新以民用飞机注册，注册号为N811NA和N812NA。
意大利空军的F-104S，1988年摄于Bitburg Air Base
RF-104G
RF-104G是以F-104G改造的战术侦察机，洛克希德内部代号Model 683-04-10。该机拆除机炮，在该位置装设航空侦照舱，为了相机观景窗所需，RF-104G的机腹增装整流罩，为它与G型机在外观分辨上的最显著特征。RF-104G初期版本侦照舱装设3台KS-67A相机。不过，因为与G型机规格不互通，荷兰皇家空军为了简化后勤将RF-104G改回一般的G型机，侦照任务则以外挂国产的奥菲斯侦照荚舱（Orpheus pod）解决。RF-104G总生产189架，其中40架为洛克希德生产、119架为北方集团生产、30架为义大利菲亚特生产。
F-104S
1969年首批F-104S出厂，并于当年6月交付义大利空军。意大利空军先后订购2批共205架F-104S，装备第、10、12、21、22、23等6个飞行联队。土耳其空军也于1974年10月订购40架F-104S。1979年3月，全部245架F-104S生产完毕，这是最后一批生产的F-104。
F-104S是整个系列当中唯一能够发射AIM-7半主动雷达导引空对空飞弹，进行超视距作战的机型。主要使用国家是意大利。目前已经全部退役。
F-104S-ASA
1984年12月，一项针对F-104S武器系统项目正式展开，并名为F-104S-ASA，目的是延长F-104S的服役寿命。主要换上飞雅特R-21G/M1火控雷达，搜索距离增加到至35公里，并换装了新型的射控电脑、飞控电脑、电战设备及操纵面伺服机构。武器外挂架改为可以装载“阿斯派德”1A 导弹，并加装M61A1机炮。
1988年起，F-104S-ASA开始服役，共150架。
展示在Moath Kasasbeh memorial的约旦皇家空军的F-104
F-104 ASA-M
F-104 ASA-M是F-104S-ASA的空优增强型，由于当时欧洲四国（德国、西班牙、义大利、英国）联合开发EF-2000计画的延迟，意大利空军不得不采取一些过渡措施来维持整体空防力量。主要针对F-104S-ASA的无线电与导航系统改进，计画于1992年初开始实行，共有90架F-104S-ASA提升为F-104 ASA-M。目前意大利空军所有的F-104S战机已于2004年年底完全除役，成为全世界最后一个使用F-104战机的国家。意大利的F-104在北约攻击南斯拉夫时亦有参战，形成了F-104、F-4、F-14/15/16等三个世代战机同时投入战场的罕见战役。
衍生机种
CL-1200枪骑兵（Lancer）：1972年，在F-104的基础上，洛克希德推出了CL-1200-1，作为竞争国际轻型战机计画的项目，动力来源仍为J79。同一个时期的对手包括了F-5E、幻象F1以及F-4F。最后该计画由F-5E得标，开启了F-5世代的另一波高潮。1970年底在与F-5等战机竞标失败之后，美国空军开始对CL-1200-1产生一些兴趣，并计画购入一架改良后的CL-1200做为高性能实验机种，编号X-27。经过修改后的X-27除进气道有所更动外，发动机则计画改用P&W的TF30涡轮扇发动机，这是当时最优秀的发动机之一，包括F-111以及F-14皆采用此款发动机。然而该计画最后仍因为没有获得足够的资金而告终止。
北海道Chippubetsu市展示的F-104J，摄于2006年
CL-1600：即CL-1200-2。在1972年时，洛克希德公司再度以X-27设计为基础，以争取竞争轻型战机合约的可能。然而在YF-16与YF-17皆获得初始合约之后，计画再度无疾而终。美国海军曾计画以此一机种为基础，设计CL-1400N。但后来仍然选择了以YF-17为基础改进的F-18。
CL-704 VTOL：1962年推出的短场起降机种。后来更先进的AV-8成功导致取消。
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