试飞中的 XF-104。可以清楚地看到该机的进气口仍然没有安装当时相当先进的激波锥。由于两架原型机先后坠毁，留存到今天的 XF-104 的照片并不多

　　此时，由于 J79 发动机研制进度滞后，XF-104 仍不得不装备无瑞特公司研制的加力燃烧室的 J65-B-3 涡喷发动机，为此 XF-104 的后机身和进气口进行了重大修改，以适应这种推力较小的发动机——注意，XF-104 的进气口并未装备激波锥。由于推力限制，XF-104 最初的速度远未达到设计指标——其平飞速度甚至未能突破音障，只能在小角度俯冲时达到马赫数 1。唯一的优点是跨音速时飞机表现稳定，没有出现颤振等一系列问题，这似乎暗示着 F-104 换发后的巨大潜力。1954 年 7 月，加装加力燃烧室的 J65-W-7 发动机获准投入使用，替换了原来的 J65-B-3。其军用推力 3,538 公斤，加力推力 4,627 公斤，尽管性能还不如预定装备的 J79 发动机，但已经远优于 J65-B-3。换装 J65-W-7 后，XF-104 最大平飞速度可以轻易超过音速，在 12,500 米左右高空可以达到 M1.49 ，俯冲时最大速度可以达到 M1.6，急跃升时可以爬升到 16,764 米。性能显著提高。1955 年 3 月 15 日，该机由洛克希德试飞员 J·雷·格岱驾驶，在 18,288 米高空达到 M1.79， 这是 XF-104 所达到的最大平飞速度。

　　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 ㎜M61A1 “火神”航炮，以及 AN/ASG-14T-1 火控系统。在最初的对空火力测试中，M61A1 航炮表现良好。但在 12 月 17 日，M61A1 却几乎毁掉了 XF-104 的 2 号机。当时 XF-104 正在进行射击试验，M61A1 突然炸膛，紧接着 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 ㎜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富油而熄火。在这件事当中，勒维尔能安全脱险，除了运气之外，精湛的技术和丰富的经验也是不可或缺的。

　　不过，这架 2 号机还是在 1955 年 4 月 14 日坠毁了。当时 R·菲斯·索曼正在 15,240 米高空进行航炮射击试验。航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。索曼的抗荷服因此迅速膨胀起来，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，没有选择，只能跳伞。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，抗荷服自然也瘪下来，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“星火”截击机用来应急。

F-94“星火”截击机也是洛克希德的产品，改装起来相对简单。不过，这种飞机在当时也已经过时，美国空军的“截击机 1954” 工程正是为了研制 F-94 等老式截击机的后继机——其最终成果就是日后广为人知的康维尔 F-102“三角剑”

　　1955 年 12 月，XF-104 1 号机交付美国空军。但该机最终也于 1957 年 7 月 11 日坠毁。当时它正在为一架 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·帕克被迫跳伞。至此，XF-104 原型机全部损失，没能保存到今天。

YF-104A

　　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。按照当时的观点，大量飞机投入试飞将大大加快飞机的研制进度，并且一旦飞机定型投产，这批飞机还可以升级到生产型标准——当然，最大的缺点就是飞机研制计划夭折，那么这批预生产型也就基本上成为废铁了。

　　由于担心通用电气的 J79 发动机不能按时投入使用，洛克希德采用了保险的策略。在第一架 YF-104A 上仍然准备安装瑞特的 J65-W-7 。不过，这次 J79 总算赶上了进度。1955 年 12 月，通用电气向海军借了一架 XF4D “天光”战斗机，将 J79 装上去试飞。根据试飞结果，J79 很快将获准投入使用，正好赶上 YF-104A 的试飞。于是，最终这 17 架 YF-104A 都按照安装 J79 发动机的标准来制造，它们预计将装备 XJ79-JE-3 发动机，该发动机军用推力 4,218 公斤，加力推力 6,713 公斤。

　　和 XF-104 相比，YF-104A 主要有以下变化：机身加长了 1.68 米，以容纳 J79 发动机；向后收起的前起落架改为向前收起，以便为座椅向下弹射提供更好的弹射空间；机身背部增加了一个狭窄的背脊；机身内增加了两个油箱；进气口形状修改，并加装在 XF-104 上省略了的激波锥，以适应大推力 J79 的需要；增加的激波锥上有放气狭缝，可以将部分空气由机身通道送往后机身，用于加力燃烧室冷却，并减小飞机尾部阻力；飞机上安装了 AN/ASG-14T-1 火控系统，并加装了 AN/ARN-56 塔康系统；飞机空重略有增加，为 5,698 公斤，无外挂最大起飞重量由 XF-104 的 7,122 公斤增大到 8,564 公斤，全外挂构型（包括 4 个翼下挂点和 1 个机腹挂点） 下最大起飞重量为 11,151 公斤。