1954年7月，美国空军向洛克希德订购17架YF-104A预生产型用于试飞。

1956年2月，第一架YF-104A（55-2955）出厂，在严格保密情况下运抵爱德华兹空军基地。1956年2月17日，该机由洛克希德试飞员赫曼·菲斯·索曼驾驶进行了首次试飞。

1958年5月7日，霍华德·C·约翰逊少校驾机在爱德华兹空军基地上空进行动力跃升飞行，最大飞行高度达到27813米，创造了一项世界高度纪录。

F-104战斗机最初设想的作战模式是在超音速状态下巡航（开加力状态，和现代“超音速巡航”完全是两种概念）和空战，高空高速性能成为重中之重。为了实现设计目标，凯利·约翰逊采用了新的设计。

F-104的薄机翼和同时代的米格-21的机翼前缘半径对比，即使同样注重高速性能，F-104的机翼前缘半径仍然要小得多。

高效率的吹气襟翼大幅改善了F-104的低速性能，使得这种高速构形飞机能够满足空军的起降要求只能单向偏转的副翼。由于翼展小，副翼操纵效率不高，而T形尾翼布局大迎角操纵性极差，二者共同作用是飞机一旦失控就可能进入尾旋。

F-104全机采用正常式布局，单发单座，两侧进气，机翼为带大下反角的平直翼，T形尾翼布局。为了减小阻力，机身长细比较大，并有明显的蜂腰设计。

F-104为了降低起降速度，还采用了附面层控制技术（即“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则从发动机第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，给附面层补充能量，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。

F-104采用T形尾翼布局出于减阻考虑。T形布局，平尾的尾臂长面积可以减小，配平阻力也小。由于高耸的T形平尾，加上F-104的高速度，常规向上弹射方式很可能造成飞行员与尾翼相撞，从而严重威胁飞行员的安全。洛克希德公司为F-104设计了独特的向下弹射座椅。根据后来的统计数据，大多数弹射都是在低空低速阶段，高空高速弹射是极其罕见的。向下弹射方式使得飞行员在起降阶段和低空难以逃生。连续多次弹射失败之后，洛克希德公司最终决定重新为F-104设计向上弹射的座椅，即C-2型座椅。为了防止飞行员弹射后撞尾翼，C-2座椅的弹射火箭的推力加大了，以缩短飞行员在尾翼前方危险区的停留时间。

F-104战斗机采用了通用动力公司研制的J79涡喷发动机。该发动机推重比较高，迎风面积小，耗油率较低，因此被凯利·约翰逊选中作为F-104的首选动力。其改进型在F-104后期型、F-4、以色列“幼狮”战斗机甚至F-16的出口简化型F-16/79上都得到应用。利用J79的强大推力，F-104的最大平飞速度可以达到2马赫以上。为了与先进的发动机匹配，F-104采用3维多波系超音速可调进气道。利用半圆锥形的激波锥前后移动调节进气道喉道面积，配合放气系统和旁通系统，使得进气道在各种飞行条件下都能满足发动机的要求。

火控系统

F-104战斗机采用AN/ASG-14T（MA-10）火控系统，该系统从YF-104开始装备，A/B/C/C四个主要机型均有采用，只是随时间推移略有改进，从而使作为昼间截击机使用的F-104具有在夜间简单条件下作战的能力。不过采用该系统的F-104只具有有限的对地攻击能力——即使是战术攻击型C/D型也是如此。

该系统由通用电气和美国无线电公司研制，由光学瞄准具分系统、红外瞄准具分系统（红外观察仪）、搜索/测距雷达分系统组成。其主要功能包括：搜索、跟踪空中目标，测定目标距离；计算航炮前置角；计算“响尾蛇”导弹的发射区域；对地面目标进行概略瞄准。在对空攻击时，可以使用M61“火神”航炮或AIM-9空空导弹，分别以前置跟踪/纯追踪方式射击；对地状态时，主要使用航炮、炸弹、火箭弹，以固定光环瞄准进行俯冲攻击。

F-104飞机由于火控系统的限制，仍只具有简单的对地攻击能力。由于过于强调高速性能，使F-104的续航能力不足，即便加装了空中受油管仍难以达到美国空军要求。

光学瞄具

F-104战斗机的光学瞄具是火控系统的核心部件，不仅担负火控计算任务，还是主要的攻击显示部件。其主要功能是：计算航炮对空射击的前置角、计算“响尾蛇”导弹的发射区域、对地目标概略瞄准。由于F-104C服役期间系统改进，该系统具有两种光学瞄准具：序号56-938之前的F-104C采用扰动光学瞄准具，光环直径随目标翼展和距离在5～60毫英寸之间变化（目标翼展需手动装定）；后期型采用雷达测距，取消光环测距功能，光环直径固定为50毫英寸。

红外瞄准具分系统，其主要功能是在夜间或雷达受干扰时指示目标方位，以叉线形式显示在瞄准具上，叉线交点即目标位置。该系统对大型飞机探测距离22.5～24千米，对战斗机大小的目标探测距离1.6～6.5千米。

雷达系统

F-104战斗机A/C星的雷达系统主要功能：搜索空中目标、测定目标距离，并以电压形式输送给瞄准具；提供发射导弹所需的距离范围、角度范围。雷达重量77千克，抛物面天线直径约700毫米。工作频率9000～9600兆赫。搜索范围范围32千米，采用螺旋扫描方式，此时波束为3.9°圆锥波束；跟踪距离16千米，采用圆锥扫描方式，此时波束为3.9°×10°扇形波束。

该雷达有3种工作状态：

搜索状态：当F-104被地面引导至预定空域后，即开始以螺旋扫描方式搜索目标。当目标距离在16～32千米之间时，以圆弧形式显示；当目标接近到16千米以内时，即以圆环方式显示，飞行员按下跟踪开关后，雷达进入跟踪状态。

跟踪状态：此时天线进行在机头前20°空域内进行圆锥扫描。天线反向旋转（顺时针转向逆时针），并借助反向的惯性力把抛物面反射器撑开一个缝隙，波束变成扇形波束。由跟踪转入搜索的过程与此相反。在跟踪状态下，雷达显示器距离刻度设定为16千米，距离波门（圆环形）在228.5～2742米之间不断扩大缩小，直至碰上目标，此时目标圆和距离波门重合，目标截获，“锁定”指示灯亮。雷达开始连续向光学瞄准具输出目标距离信息，瞄准具则自动计算射击前置角。若需截获其它目标，则可以再次按下跟踪按钮，重复上述过程。

抗干扰状态（自动寻的状态）：此时雷达发射机不工作，只作为无线电定向器使用。无论从前述哪一种状态转入抗干扰状态，天线扫描方式均保持原样不变。显示器刻度为32千米，但由于无回波信号，距离刻度无意义，只能确定干扰源方向。

XF-104是洛克希德公司根据1953年3月11日签定的合同研制的原型机，共有2架。由于原来计划采用的J79发动机的研制进度赶不上飞机试飞的需要，所以XF-104装备的是XJ65-W-6发动机，军用推力为3540千克，加力推力为4630千克。第1架（首飞时发动机还没有加力装置）和第2架原型机分别于1954年2月28日和10月5日首飞。装备1门固定式的20毫米M61“火神”6管炮，有2个外挂架。第2架原型机于1955年4月在试飞中坠毁，第1架原型机于1955年10月交付给空军，1957年7月也在试飞中坠毁。

YF-104A是洛克希德公司研制的装备J79发动机的试验机，开始装备的是J79-GE-3，后来换装成改进了加力燃烧室的J79-GE-3A，军用推力为4220千克，加力推力为6710千克。在换装发动机的同时加长了机身，增加了机内的燃油量。加装了腹鳍，垂尾后移，装备1门固定式的20毫米M61“火神”6管炮。美国空军于1954年10月17日订购了17架，第1架飞机于1956年2月17日首飞。20世纪60年代部分YF-104A被改装成QF-104A无人靶机。

F-104A是单座截击型，装备加力推力为6710千克的J79-GE-3A发动机。装备1门固定式的20毫米M61“火神”6管炮，有5个武器挂架。F-104A-1和F-104A-5两批飞机装备MA-10（AN/ASG-14T1）火力控制系统。F-104A-10以后的飞机装备AN/ASG-14T2火力控制系统，其基本组成与MA-10系统相同。1955年10月开始订购，总共生产了153架，1958年1月开始交付，同年12月交付完毕。先后装备了第83、第56和第337截击机中队。后来有部分F-104A战斗机换装成加力推力8120千克的J79-GE-19发动机。由于这种飞机航程短和火力弱，特别是不能装备与地面“赛其”防空系统交联的数据传输设备，于20世纪60年代初全部退出现役转入国民警卫队的第151（田纳西州）、第157（北卡罗来纳州）和第197（亚利桑纳州）3个飞行中队。在“柏林危机”期间，上述3个中队于1961年11月～1962年8月先后被动员重新进入现役，并在欧州展开，第151和第197中队部署在前西德，第153中队部署在西班牙。紧张局势缓和后，3个中队的飞机再次配署给防空空军（ADC），分别划归第319和第331两个截击机中队。在1962年10月“古巴危机”时再次担负了战斗警戒任务。F-104A截击机的最后退役时间是1969年12月（第319中队解散），前后总共服役12年。退役后的F-104A飞机中，1架改成CF-104的原型机，3架被改成超高空飞行训练用的NF-104A，24架（含部分YF-104A）被改成无人靶机，10架买给了巴基斯坦空军，25架买给了中国台湾省，16架买给了约旦。

F-104B是A型的双座教练型，发动机与A型相同。增加了尾翼面积，去掉了机炮，保留了4个外挂架，可挂2枚AIM-9空空导弹。火力控制系统是AN/ASG-14T1。1957年1月26日首飞，共生产了26架。

F-104C是战斗轰炸型，装备加力推力为7165千克的J79-GE-7发动机（军用推力4540千克），具有有限全天候性能力。1958的9月开始交付，1959年6月交付完毕，共生产77架。装备了第479战术战斗机联队的4个中队。这型飞机装备1门固定式的20毫米M61“火神”6管炮，有5个外挂架。装备有AN/ASG-14T2火力控制系统。No.56-938以前的F-104飞机装备扰协光环计算瞄准具。部分F-104C（No.57-910以后）飞机的光学瞄准具去掉了光学测距装置，因而光环大小不再改变，其直径为50mil。在火控计算中使用雷达测量的目标距离。1965～1967年期间，一部分F-104C被派往越南参战。1967年第497联队换装成F-4战斗机，F-104C退出现役后配署给国民警卫队的第198战术战斗机中队，1975年从国民警卫队退役。

F-104C装备的武器分为固定安装的机炮和外挂的导弹、各种炸弹和火箭弹等两部分。在前机身座舱下左侧机内安装有1门20毫米M61“火神”（Vulcon）6管炮，备弹量为480发。机炮系统总重约300千克（包括供弹装置和弹药等）。

F-104C战斗机共有5个外部武器挂架：两个翼尖挂架（N0.1和N0.5）、两个翼下挂架（N0.2和N0.4）、1个机身下挂架（N0.3）。翼尖挂架是专用挂架，每个最大挂载能力为454千克，可挂1枚AIM-9空空导弹或1个664升副油箱；每个翼下挂架的最大挂载能力为454千克，可挂1枚实际重量小于454千克的炸弹、或1个火箭弹发射器、或1个739升的副油箱；机身下挂架的最大挂载能力为907千克。在5个挂架中只有N0.2～N0.4三个挂架可挂载各种空对地武器。典型火力配置方案如下：

F-104D是C型的双座教练型，但实际上是由B型改进而来。发动机与C型飞机相同，去掉了机炮，保留了5个外挂架（有的资料说机翼下没有外挂架，只在翼尖挂“响尾蛇”导弹）。1958年11月开始交付，1959年9月交付完毕，共生产了21架。

F-104F是专门为原联邦德国空军生产的双座教练机，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发动机，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。

在多国参加的F-104G制造计划中，意大利要求专门发展一种具有对空能力的先进F-104，称为F-104S（S为麻雀导弹之意）。1988年起，经过升级改进的F-104S（ASA）陆续服役，前后共改装150架。未经改装的F-104S于90年代末陆续退役。

中国北京郊区中国空军博物馆（小汤山空军博物馆）收藏了1架意大利空军赠送的退役F-104S战斗机。

加拿大生产的F-104G。

F-104J是日本在第2次防卫计划中为其航空自卫队选定的防空截击机，是在G型基础上研制的F-104的防空截击型，由日本三菱公司仿制生产。F-104J是防空截击机，主要装备的是空对空武器。保留了机头固定安装的20毫米M61“火神”6管炮（备弹量最多为750发），每个翼尖挂架可挂1枚AIM-9空空导弹或日本研制的AAM-1空对空导弹，每个翼下挂架可挂1～2枚上述空对空导弹或1个火箭弹发射器。炮舱内不装机炮时可装1个462升的油箱。

1974年、1978年和1981年第201中队、第206中队和205中队的F-104J战斗机退出现役。1982年以后第202中队、第203和第204中队先后换装成F-15J战斗机，1985年第207中队解散。截至1985年，日本的F-104J战斗机全部退役。

F-104DJ是F-104J型战斗机的双座教练型，总共生产了20架，全部由洛克希德公司制造，没有装备火力控制设备。该型机于1961年8月26日首飞，1962年1月运到日本，随同F-104J一起退役。

TF-104G是G型的教练机，装备有NASARRF-15A火力控制雷达，有实际作战能力。洛克希德公司总共生产了220架，其中48架采用欧州制造的部件由洛克希德公司组装。

RF-104G侦察机，是以F-104G为基础的战术侦察机改型,洛克希德公司设计代号为682-04-10。该机拆除了M61A1航炮，并在腹部加装航空侦察照相机。大部分RF-104G采用内置的3台KS-67A照相机，为此腹部增加了一个整流罩。不过，部分国家空军的RF-104G则采用外挂式侦察吊舱，在外观上和F-104G并无多大差别。该型机共计生产189架。

中国台湾空军的RF-104G多数是由“阿里山3号”计划引进的，共引进了8架，数量较少，机龄也普遍过老。为了补充损失的与老旧的RF-104G，台湾空军从“阿里山8号”计划引进的39架F-104G中挑选了飞行时数较少的8架F-104G改装成RF-104G，其中前4架安装了LOROP照相机，换装计划称作“始安计划”。安装LOROP照相机的RF-104G就被台湾军方称为“始安机”。也被称为“观星者”（Stargazer）。

F-104战斗机1958年开始装备美国空军，但该机因航程短、载弹量小未成为美国空军的主力战斗机。

1958年洛克希德公司对F-104C的机体结构重新设计，提高了结构强度，改进了航电设备，研制成多用途战斗机F-104G，被德、日、加、意、荷、丹麦等国采用（或在G型基础上改型），进行大批量生产。F-104主要型别有A、C、G、J、S等。共生产近2000架。

F-104战斗机于1955年4月便达到飞行速度马赫2.0，后成为20世纪60年代世界三大高性能战斗机（米格-21、“幻影”3）之一。执行截击任务时，F-104可以携带AIM-7空空导弹和AIM-9空空导弹各2枚，执行对地攻击任务时，携带AGM-12A空地导弹2枚，900千克核弹1枚以及多枚普通炸弹，最大载弹量1800千克。此外，F-104装有一门20毫米机炮，备弹750发。

F-104较短的续航能力限制了它的一线使用，1960年，所有的F-104战斗机均从美国防空司令部退役。1958年至1959年，还生产了经过战术优化的F-104C型（77架）和双座的F-104D型（21架），其特点是安装了空中加油受油管和根据对地攻击任务进行了优化的航空电子设备，以及挂架。1965年，F-104战斗机随第479战术战斗机联队在越南上空执行了短暂的战斗飞行任务，1975年，最后一批F-104从美国国民空中卫队退役。

1965年9月6日，巴基斯坦空军的F-104战斗机在空战中，用导弹击落击伤印度空军各1架战斗机。

1965年9月20日10时47分，美军一架F-104C入侵中国领空进行擦边挑衅25分钟之久，中国海军航空兵4师10团大队长高翔、副大队长黄凤生驾驶歼-6升空拦截，11时19分，美机再次入侵中国领空，并爬升至10500米，横穿雷州半岛南端。11时28分，中国歼-6编队追击美机，11时31分即在机头左前方目视发现F-104C，此时F-104C右转，飞向海南岛，高翔驾机切入F-104C转弯半径，逼近目标，在距敌机290米处开炮射击，直到距离39米才脱离，F-104C被击落，飞行员菲利普.史密斯跳伞后被中国海南民兵生擒；高翔座机被F-104C爆炸产生的破片击伤一台发动机，但高翔驾机带伤成功返航。

1967年1月13日12时56分，中国福建沿海预警雷达发现一架国民党空军RF-104G在福建漳州东南145千米、高度200米入侵，同时有1批4架F-104G战斗机自深沪湾入陆，到晋江地区上空，掩护RF-104G并企图伺机伏击解放军空军拦截战机。解放军空军歼击航空兵第24师70大队于12时45分起飞2批8架次歼六拦截，因引导失误，未能与敌RF-104G接触，但同时发现对方F-104G战斗机从右侧逼近，企图偷袭解放军空军编队，解放军空军地面领航员董福成当即引导解放军空军编队右转弯对头迎战，解放军空军3号机胡寿根以斜对头形式对一架F-104G开火射击，耗弹48发，将F-104G击落，该机飞行员杨宗敬上尉被击毙。

1974年7月22日土耳其空军侦察机发现一支“希腊”海军驱逐舰舰队出现于塞浦路斯外海，土空军事先不与土耳其海军联络核实的情况下，派出28架F-100和F-104出击，以1架F-104被击落的代价，取得击沉1艘驱逐舰，炸毁2艘驱逐舰的战果。而事后证明，这三艘遭袭驱逐舰都是土耳其海军驱逐舰，造成232土耳其海军官兵被误杀。

1986年，日本用F-104J改装无人驾驶飞机试验，能在比较接近实战的条件下进行训练。F-104J的飞行速度较快，给遥控带来一定困难。为安全起见，日本防卫厅在太平洋中的硫磺列岛上空进行飞行试脸。

F-104最重要的意义是该机为喷气式战斗机时代的第一种“飞行员的战斗机”。从凯利·约翰逊在朝鲜会见飞行员的记录看，那些对尚在酝酿中的F-104的要求，由于当时技术条件的限制，加上对未来空战形式的判断，使得F-104最终偏向了高空高速，并为此牺牲了盘旋性能。但毫无疑问，最初的F-104A就是按照飞行员理想的战斗机来设计的。但是，飞行员理想的战斗机，并不是军方理想的战斗机。一种“纯”空战战斗机并不符合军方“高效费比”的要求。F-104A/C迅速退役，而F-104G却大行其道，其根本原因正在于此。（空军之翼 评）