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 日发生严重飞行事故。当时北美 XB-70A 轰炸机 2 号机正在为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 XF-70A， 将其右垂尾的 50％和几乎整个左垂尾全部切掉。013 全身起火，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。
这就是那次惨烈的空中相撞事故。XB-70 真的应了它的绰号，成了不折不扣的“亡灵使者”
F-104S
1965 年，意大利空军提出“ 全天候截击机”项目（AWX）。洛克西德在 F-104G 的基础上改进设计，以 CL-980 方案的名称参与竞标。当时的竞争对手还包括达索幻影 III、道格拉斯 F-4、诺思罗普 F-5 以及北美 F-100。最终 CL-980 战胜各家对手，被意大利空军选中。后该方案定名为 F-104S——S 指“麻雀（SPARROW） ”，表示该机可以携带 AIM-7“麻雀”半主动雷达制导导弹。
洛克希德将一架 RF-104G 改装，作为 F-104S 的原型机。后来又根据意大利要求，改装两架菲亚特公司生产的 F-104G 作为原型机。1966 年 12 月， 第一架 F-104S 原型机试飞。1968 年 12 月 30 日，由菲亚特 F-104G 改装的原型机也加入试飞。
F-104S 换装了 J79-GE-19 发动机，推力增大 13％ 。基本保留 F-104G 的火控系统，但机载雷达改用 R-21G/H 多功能火控雷达，并增加了 AIM-7E“麻雀”导弹的控制设备，具有制导“麻雀”导弹的能力，以及地面测绘和地形回避能力。机翼下再增加一对外挂点，从而使全机外挂点增至 9 个，载弹量提高到 3,402 公斤，大大丰富了挂载方案。不过，为了安装新型航电设备，M61A1 航炮被拆除，炮口封死。垂尾面积略有增大，并改用双腹鳍设计。
1969 年，首批 F-104S 出厂， 并于当年 6 月交付意大利空军。意大利空军先后订购 2 批共 205 架 F-104S，装备第 9、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-ASA
F-104S-ASA 源自 F-104S 的武器系统升级计划。其目的是延长 F-104S 的服役寿命，使之可以继续服役到 21 世纪初，由欧洲战斗机（当时还称作EFA）取代。
1984 年 12 月，F-104S-ASA 项目正式展开。这一项目全部针对武器系统，而不涉及机体改进。主要改进包括：换装具有下视下射能力的菲亚特 R-21G/M1 火控雷达，搜索距离增加到 35 公里；换装新型北约敌我识别器；换装武器投射计算机；换装自动俯仰控制计算机；换装改进的电子对抗设备；更换操纵面伺服机构；近距导弹采用先进的 AIM-9L， 具备全向攻击能力；中距导弹除了可以挂装原来的 AIM-7E “麻雀 III” 外，还可以挂装意大利自行仿制改进的“阿斯派德”1A 导弹；重新加装 M61A1 航炮。
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。
F-104S-ASAM
F-104S-ASAM 是 F-104S-ASA 的防空能力增强型，这是由于欧洲战斗机（EF2000） 计划进度滞后而迫使意大利空军不得不采取的过渡措施。主要针对 F-104S-ASA 的无线电和导航系统加以改进。改进计划于 1992 年初开始实施，先后有 90 架 F-104S-ASA 升级为 F-104S-ASAM。
就外观而言，实在很难分清 F-104S/S-ASA/S-ASAM 这三种型号。自上而下分别是 F-104S、F-104S-ASA 和 F-104S-ASAM。由于航炮是选装设备，在这三架机身左侧只能看到封死的炮口
设计特点
F-104 真正的设计目标是一种高性能的昼间战斗机。其设计重点在于高空高速、大爬升率，为此牺牲了续航能力和盘旋性能。为了降低造价和减轻重量，早期的 F-104 并不具备多用途能力，设备也简单。其实就是一种纯粹的昼间点防御战斗机，主要用于近距离对空作战。在某种意义上说，早期的 F-104 就是一种 M2 一级的“超级米格-15”。
F-104 最初设想的作战模式是在超音速状态下巡航（当然是开加力的，和现代的“超音速巡航”完全是两种概念）和空战，为此高空高速性能成为重中之重。为了实现设计目标，凯利·约翰逊采用了独树一帜的设计。
薄得可以“切牛排”的 F-104 机翼和同时代的米格-21 的机翼前缘半径对比。可以看出，即使和同样注重高速性能的米格-21 相比，F-104 的机翼前缘半径仍然要小得多（上/中上）
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（中下）
只能单向偏转的副翼。由于翼展小，副翼操纵效率令人担心，而T 形尾翼布局大迎角操纵性极差，二者结合使得飞机一旦失控就可能根本无法改出（下）