机身左侧的固定式受油管是 F-104C 和 A 型在外观上最大的差别。60914 的序列号表明这架飞机已经采用了雷达测距，因此取消了扰动光环瞄准具
1958 年 9 月，F-104C 开始交付战术空军司令部。该机只装备了驻乔治空军基地的第 479 战术战斗机联队所属 4 个中队（434 、435 、436 、476）。该机主要担负核打击任务，但也可以执行常规对地攻击任务。
1959 年12 月14 日，乔·B·乔丹上尉驾驶一架 F-104C 刷新了世界飞行高度纪录——达到 31,513 米，这也是航空史上飞机第一次依赖自身动力在 30,000 米高空飞行。在此次飞行中，F-104C 最大平飞速度达到 M2.36，并同时创造了 15 分 4.92 秒爬升 30,000 米（从地面松刹车开始计时）的另一项世界纪录。
1961 年 10 月， 洛克希德开始进行代号“研磨机”的战斗机现代化改进计划，F-104C 机群也被包括其中。该机机身下左右两侧各增加一个挂点，用于携带“响尾蛇”导弹，从而使总携弹量增加到 4 枚；此外还增加了各种类型对地攻击武器的投射能力，包括凝固汽油弹、2.75 英寸火箭弹和常规炸弹。
1962 年 10 月，古巴导弹危机爆发。第 479 战术战斗机联队被部署到佛罗里达的凯·维斯特海军航空站，以阻止古巴或苏联飞机可能对美国目标发动的空袭。当然，如果必要的话，该联队的 F-104C 也会对古巴目标实施空中打击——可以想象，一旦 F-104C 出动，机上挂载的肯定不是常规武器。幸运的是，F-104C 最终未能一显身手。
这架 F-104 是亚利桑那州图森市比马航空博物馆的馆标。虽然在说明中注明该机为 C 型，但亚利桑那 ANG 实际装备的是 A 型
1965 年 4 月，第 479 联队的一个中队（番号不详）调往南越大朗（音译）基地，用于执行战斗空中巡逻任务，掩护己方战斗轰炸机免遭北越战斗机的攻击。执行这种任务时，F-104C 只携带 4 枚“响尾蛇”导弹。在这片热带丛林上空，F-104 固有的航程短的缺点再次暴露，它无法对攻击机群实施全程护航！越南人很快发现了这一点，他们只要等到 F-104C 由于燃油不足被迫返航后再发动攻击，F-104C 就无可奈何。1965 年 9 月 20 日，这一天如果不是第 479 联队历史上最黑暗的一天，至少也是其中之一。当天菲利普·E·史密斯少校驾驶 F-104C 侵入我海南岛领空（美国人的说法是导航系统故障），遭到海航 4 师 10 团高翔、黄凤生歼-6 双机拦截。高翔从距离 291 米开炮，一直打到距离 39 米，F-104C 凌空爆炸，史密斯跳伞。而在寻找失踪的史密斯过程中，该中队两架 F-104C 在返航途中相撞，两名飞行员丧生。该中队在越南总共损失了 4 架 F-104C （另一架在一周后被高炮击落，飞行员阵亡），这一天就占了 3/4！ 实在是“黑”到了极点。之后， 该中队撤回乔治空军基地。
照相枪里留下的永恒瞬间——被歼-6 打得凌空爆炸的 F-104C
1966 年 5 月，一支 F-104C 分遣队重返越南战场。这一次，第 479 联队全军出动，部署到泰国巫东（音译）基地。他们的主要任务不再是制空作战，而是对地攻击。在旨在诱歼北越战斗机的“大刀行动”中，F-104C 也参与了空战，但没有取得战果，倒是 F-4“鬼怪 II”斩获颇丰。由于 F-104 的固有缺陷（航程短，载弹量小），使得 F-104C 在对地攻击中表现也不甚出色，美国空军决定从 1967 年 7 月开始以 F-4D 取代 F-104C。第 479 联队撤回乔治基地。在越南战场上，F-104C 被歼-6 击落1 架（海南岛那架）， 被地空导弹击落 2 架，被高炮击落 6 架，还有 6 架因非战斗原因损失。
479 联队回国后，即将剩余的 F-104C 转交波多黎各 ANG 第 198 中队，替换该中队早已过时的 F-86。此后，F-104C 一直在该中队服役，直至 1975 年 7 月被 A-7 “海盗II”取代。
F-104D（公司设计代号 383-04-06 ）是 C 型的双座教练型，但实际上是由 B 型改进而来。该机共生产了 21 架（生产序号：57-1314～1334），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。当然，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，更加容易识别。
1958 年 11 月至 1959 年 8 月，所有 21 架 F-104D 全部交付第 479 联队。
存放于比马航空博物馆的 F-104D
F-104F（公司设计代号 483-04-08） 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。
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兵。1971 年 12 月，该机被 F-104G 真正的双座教练型 TF-104G 取代。
专门为原联邦德国空军生产的 F-104 F，外观与 F-104D 几无差别
F-104F 精致座舱盖，需要的不仅仅是博物馆工作人员的责任，更多的是对航空的热情。联想到国内航空馆内名机的遭遇，笔者不由得一声长叹……
1956 年，洛克希德开始研制一种新的“星”式战斗机，公司设计代号 683-10-19， 非正式代号 F-104-7，当时被称作“超星”。这是一种主要用于攻击和侦察的机型。在当时，洛克希德就意识到，美国空军已经不可能再采购 F-104，所以计划伊始就组织了强大的推销团，大力开展促销活动。恰好此时大多数西欧国家装备的第一代喷气式战斗机开始逐渐过时。他们迫切需要一种现代化的标准战斗轰炸机，作为空军下一代主力机型。西德空军则是其中最大的客户。他们的 F-84 和 F-86 已经不足以对抗来自华约的威胁，需要多达 1,000 架现代化战斗机来替换这些老飞机。面对这一块大蛋糕，各大飞机制造公司都纷纷推出自己的竞争机型。洛克希德提出的方案，正是 F-104-7。后来，该机更名为 F-104G。