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，改装成航天教练机，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 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。
打开尾部火箭发动机进行大仰角爬升的 NF-104A。从垂尾序号可以看出，该机是 3 架同型机的 1 号机
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，面部被弹射座椅的火箭发动机严重烧伤，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。
几乎把耶格尔送进地狱的 NF-104A 2 号机
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，该机就此退役。
改装为遥控靶机的 QF-104A， 机身和垂尾已喷涂上醒目的桔红色
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。
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 283-93-03 。和 F-104A 相比，B 型的主要改动是：座舱加长，以容纳第二个座位；座舱盖改为向左侧开启；增加一套操纵系统，两套操纵系统都具有全部控制能力；为了给第二个作为提供空间，原来的 M61A1 航炮被取消（也因此使得 F-104B 不能具备 A 型的全部作战能力），同时内部布置重新调整，部分航电设备有所移动；机内油箱也有所更改，内部载油量由 3,395 升减少到 2,763 升；机载武器只有两枚 AIM-9B “响尾蛇”导弹， 不过仍然保留了早期 A 型的 AN/ASG-14T-1 火控系统；垂尾面积加大，以保证足够的航向稳定性；前起落架再次改为向后收起。
第 18 架 F-104B。和 A 型相比，外观差别不大
1967 年 1 月 16 日，被非正式称作 YF-104B 的原型机（56-3719）首次试飞。该机实际上是用一架过剩的 F-104A 机体改装的，后期 F-104B 的大面积尾翼、自动俯仰抑制系统以及火控系统均未安装。该机后来被升级到 F-104B 的标准，并被用于洛克希德向下弹射座椅的试飞工作。
这是一幅表现印巴战争的油画。画中展现了一架巴基斯坦空军第 9 中队的 F-104B 执行低空高速侦察任务的场景。虽然印军防空炮火密集，但这架 F-104B 毫发无损，安全返航
包括原型机在内，洛克希德总共生产了 26 架 F-104B （生产序号：56-3719～2724， 57-1294～1313），包括 3 个批次，全部交付美国空军。
F-104C 是 A 型的战术攻击型，洛克希德设计代号 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，就是为了满足战术空军司令部的要求。前文已经提及，战术空军司令部正是由于这两点而拒绝接受 F-104A 的。现在，它认为需要一种超音速战术攻击机来填补亚音速的 F-100“超级佩刀”和两倍音速的 F-105“雷公”之间的空白，F-104C 恰好可以满足需要。1956 年 3 月 2 日，美国空军向洛克希德下达了一份 56 架的确认订单。当年 12 月 26 日，美国空军又追加订购 21 架 F-104C， 使得订购数量增加到 77 架。原计划生产 363 架该型机，但由于美国空军最终取消了 F-104 系列的全部生产计划，使得 F-104C 后续生产计划全部泡汤。
1958 年 7 月 24 日，F-104C 原型机（非正式代号 YF-104C ）首次试飞。和 A 型相比，F-104C 的主要改进包括：换装 J79-GE-7 发动机，军用推力 4,536 公斤， 加力推力 7,167 公斤，由于空气流量增大，发动机最大直径增大约 0.08 米；机身左侧加装固定式受油管（可快速拆装），从而具备空中加油能力；机腹挂点加强，可以挂载重达 907 公斤的武器，如 MK12 核炸弹和美国空军其它战术核武器（这是 F-104C 改进设计的主要目的——对目标进行战术核打击），如果不挂武器，还可以挂一个 852 升副油箱；火控系统采用 AN/ASG-14T-2 ，和后期型 F-104A 相同——这使得 F-104C 具有在夜间简单气象条件下作战的能力，但尚未达到全天候作战的水平；序号 56-938 以前的 C 型机采用扰动光环瞄准具，之后则去掉了光环测距装置，改有雷达测距，因而瞄准具光环大小不再改变；弹射方式重新采用向上弹射，采用洛克希德自行研制的 C-2 型火箭弹射座椅。原来的 M61A1 航炮和翼尖“响尾蛇”导弹挂载能力仍然保留。不过，由于 M61A1 可靠性不佳，F-104C 并未真正安装该航炮，直至 1964 年军方确认航炮可靠性问题已经得到解决为止。