Chiếc Lockheed XF-104 đang bay.

Có tổng cộng 2.578 chiếc F-104 được sản xuất bởi Lockheed và sản xuất theo giấy phép nhượng quyền bởi nhiều nhà sản xuất nước ngoài. Các phiên bản chủ yếu bao gồm:

XF-104Hai chiếc nguyên mẫu trang bị động cơ Wright J65 (do kiểu động cơ J79 chưa sẵn sàng); một chiếc được trang bị khẩu pháo M61 để thử nghiệm nền tảng vũ khí. Cả hai chiếc đều bị phá hủy do tai nạn.YF-104A17 máy bay tiền sản xuất dùng trong thử nghiệm động cơ, trang bị, và thử nghiệm bay. Đa số được cải biến sang tiêu chuẩn F-104A.F-104A153 chiếc thuộc phiên bản sản xuất ban đầu. Phục vụ trong Không quân Hoa Kỳ từ năm 1958 đến năm 1960, rồi được chuyển cho Không lực Vệ binh Quốc gia (ANG) cho đến năm 1963 khi chúng được huy động trở lại phục vụ cho Bộ chỉ huy Phòng không (ADC) Không quân Hoa Kỳ tại các Phi đội Tiêm kích Đánh chặn 319 và 331. Một số đã được xuất khẩu sang Jordan, Pakistan và Đài Loan, cả ba nước này đã sử dụng chúng trong chiến đấu. Vào năm 1967 những chiếc F-104 phiên bản A và B thuộc Phi đội 319 được nâng cấp lên kiểu động cơ J79-GE-19 có lực đẩy 17.900 lbf (79,6 kN) với đốt sau, trần bay đạt được trên 22.250 m (73.000 ft). Vào năm 1969 tất cả những chiếc F-104A/B phục vụ trong ADC được cho nghỉ hưu. Vào ngày 18 tháng 5 năm 1958, một chiếc F-104A đã lập được kỷ lục thế giới về tốc độ đạt 2.259,82 km/h (1.404,19 dặm mỗi giờ).NF-104ABa chiếc phiên bản không vũ trang được bổ sung thêm động cơ tên lửa Rocketdyne LR121/AR-2-NA-1 với lực đẩy 6.000 lbf (27 kN), được sử dụng trong việc huấn luyện các nhà phi hành không gian ở độ cao cho đến 36.830 m (120.800 ft). Một tai nạn xảy ra vào ngày 10 tháng 12 năm 1963 có liên quan đến Chuck Yeager đã được mô tả lại trong bộ phim The Right Stuff, cho dù chiếc máy bay trong bộ phim không thực sự là một chiếc NF-104A.QF-104A22 chiếc F-104A được cải biến thành máy bay giả lập mục tiêu điều khiển bằng radio và máy bay thử nghiệm.F-104B26 chiếc phiên bản F-104A huấn luyện với bộ điều khiển bay kép. Không trang bị pháo và có trữ lượng nhiên liệu giới hạn, nhưng vẫn có khả năng tác chiến. Một số ít được cung cấp cho Jordan, Pakistan và Đài Loan.F-104CChiếc F-104C trưng bày tại Bảo tàng Không quân Hoa Kỳ ở Căn cứ Không quân Wright-Patterson.77 chiếc phiên bản tiêm kích-ném bom được nâng cấp để phục vụ trong Bộ chỉ huy Không quân Chiến thuật Không quân Hoa Kỳ, với hệ thống radar điều khiển hỏa lực được nâng cấp (AN/ASG-14T-2), bổ sung một đế giữa thân và hai đế cánh (tổng cộng 5 đế vũ khí), và có khả năng mang một vũ khí nguyên tử Mk 28 hay Mk 43 trên đế giữa thân. Chiếc F-104C cũng có khả năng tiếp nhiên liệu trên không. Vào ngày 14 tháng 12 năm 1959, một chiếc F-104C đã lập được kỷ lục thế giới về độ cao là 31,5 km (103.395 ft). F-104D21 chiếc phiên bản F-104C huấn luyện với bộ điều khiển bay kép.F-104DJ20 chiếc phiên bản huấn luyện với bộ điều khiển bay kép của kiểu F-104J dàng cho Không lực Phòng vệ Nhật Bản, do Lockheed chế tạo chứ không do Mitsubishi.F-104F30 chiếc phiên bản huấn luyện với bộ điều khiển bay kép dựa trên kiểu F-104D, nhưng được trang bị động cơ được nâng cấp của phiên bản F-104G. Không có radar và không có khả năng tác chiến. Được sản xuất như là máy bay huấn luyện tạm thời cho Không quân Đức. Tất cả những chiếc F-104F được cho nghỉ hưu vào năm 1971.F-104G1.122 máy bay thuộc phiên bản sản xuất chủ yếu như là kiểu tiêm kích-ném bom đa chức năng. Được sản xuất bởi Lockheed, và sản xuất theo giấy phép nhượng quyền bởi Canadair và một tổ hợp các công ty châu Âu bao gồm MBB, Messerschmitt, Fiat, Fokker và SABCA. Phiên bản này có cấu trúc thân và cánh được gia cố, gia tăng trữ lượng nhiên liệu bên trong, cánh đuôi đứng mở rộng, bộ càng đáp chắc chắn với các bánh lớn hơn và các cánh tà được thiết kế lại để cải thiện tính năng cơ động trong chiến đấu. Các thiết bị điện tử được nâng cấp bao gồm radar mới Autonetics NASARR F15A-41B với các chế độ lập bản đồ không chiến và mặt đất, hệ thống dẫn đường quán tính Litton LN-3 (lần đầu tiên trang bị trên một chiếc máy bay tiêm kích) và một bộ ngắm hồng ngoại.RF-104G189 chiếc phiên bản trinh sát chiến thuật dựa trên kiểu F-104G, thường trang bị ba máy ảnh KS-67A ở phía trước thân vào vị trí của khẩu pháo.TF-104G220 chiếc phiên bản huấn luyện có khả năng chiến đấu dựa trên kiểu F-104G; không trang bị pháo hay đế giữa thân, trữ lượng nhiên liệu bị giới hạn. Một chiếc được Lockheed sử dụng như là máy bay biểu diễn dưới số hiệu đăng ký dân sự L104L, được lái bởi Jackie Cochran để lập ba kỷ lục thế giới của phụ nữ vào năm 1964. Chiếc máy bay này sau đó phục vụ cho Hà Lan.F-104J210 chiếc phiên bản Nhật Bản do Mitsubishi chế tạo theo giấy phép nhượng quyền (ngoại trừ ba chiếc do Lockheed chế tạo) trong vai trò máy bay tiêm kích chiếm ưu thế trên không, trang bị pháo và bốn tên lửa không-đối-không AIM-9 Sidewinder; không có khả năng tấn công mặt đất. Một số được cải biến thành máy bay giả lập mục tiêu UF-104J điều khiển bằng vô tuyến và bị phá hủy.F-104J210 chiếc phiên bản Nhật Bản do Mitsubishi chế tạo theo giấy phép nhượng quyền (ngoại trừ ba chiếc do Lockheed chế tạo) trong vai trò máy bay tiêm kích chiếm ưu thế trên không, trang bị pháo và bốn tên lửa không-đối-không AIM-9 Sidewinder; không có khả năng tấn công mặt đất. Một số được cải biến thành máy bay giả lập mục tiêu UF-104J điều khiển bằng vô tuyến và bị phá hủy.F-104NBa chiếc F-104G được giao cho NASA vào năm 1963 để được sử dụng làm máy bay săn đuổi tốc độ cao. Một chiếc do Joe Walker lái đã va chạm với một chiếc XB-70 vào ngày 8 tháng 6 năm 1966. Hình ảnh tai nạn.F-104S246 chiến phiên bản Italy được chế tạo bởi FIAT, trong đó có một chiếc bị rơi trước khi giao hàng nên thường không được tính đến trong tổng số máy bay được chế tạo. Phiên bản F-104S được nâng cấp cho vai trò tiêm kích đánh chặn, được trang bị radar NASARR R-21G/H với bộ chỉ thị mục tiêu di động và hiển thị sóng liên tục dành cho tên lửa SARH (ban đầu là kiểu AIM-7 Sparrow), bổ sung hai đế dưới cánh và hai đế dưới bụng (nâng tổng số lên chín đế), trang bị động cơ J79-GE-19 mạnh mẽ hơn có lực đẩy 11.870 lbf (53 kN) / 17.900 lbf (80 kN), và thêm hai vây bụng nhằm tăng độ ổn định. Khẩu pháo M61 trên phiên bản tiêm kích đánh chặn được tháo bỏ dành chỗ cho những thiết bị dẫn đường tên lửa, nhưng được giữ lại trên các phiên bản tiêm kích-ném bom. Nó mang được cho đến hai tên lửa Sparrow; và hai (trên lý thuyết là bốn hay sáu) tên lửa Sidewinder trên tất cả các đế ngoại trừ đế giữa thân (dưới bụng), hoặc bảy bom 340 kg (thường là hai đến bốn bom 227 - 340 kg). Phiên bản F-104S có trọng lượng cất cánh tối đa lớn hơn, cho phép mang tải trọng bên ngoài là 3.400 kg (7.500 lb); trong khi những chiếc Starfighter khác chỉ có khả năng mang tải trọng bên ngoài tối đa là 1.814 kg (4.000 b). Tầm bay đạt đến 1.250 km với bốn thùng nhiên liệu phụ.[23]F-104S-ASA(Aggiornamento Sistemi d'Arma – Nâng cấp hệ thống vũ khí) - 147 chiếc phiên bản F-104S được nâng cấp với radar Fiat R21G/M1 với bước nhảy tần số, khả năng nhìn xuống-bắn xuống, hệ thống nhận biết bạn-thù (IFF) và máy tính kiểm soát vũ khí mới, khả năng mang các loại tên lửa AIM-9L Sidewinder và Selenia Aspide.F-104S-ASA/M(Aggiornamento Sistemi d'Arma/Modificato – Cải tiến/nâng cấp hệ thống vũ khí) - 49 khung máy bay được nâng cấp vào năm 1998 lên tiêu chuẩn ASA/M với hệ thống định vị toàn cầu GPS, các hệ thống TACAN và Litton LN-30A2 INS mới, khung máy bay được tân trang, cải tiến việc hiển thị trong buồng lái. Mọi thiết bị liên quan đến tấn công được tháo bỏ. Những chiếc Starfighter cuối cùng được rút khỏi phục vụ thường trực vào tháng 12 năm 2004 và được tạm thời thay thế bằng những chiếc F-16 Fighting Falcon, trong khi chờ đợi được giao hàng những chiếc Eurofighter Typhoon.CF-104200 chiếc phiên bản Canada, do Canadair chế tạo theo giấy phép nhượng quyền và được tối ưu hóa cho vai trò tấn công hạt nhân, được trang bị radar NASARR R-24A với chế độ không-đối-không, khẩu pháo được loại bỏ (được phục hồi vào năm 1972), bổ sung thêm ngăn chứa nhiên liệu bên trong, và nhưng trang bị động cơ J79-OEL-7 của Canada với lực đẩy 10.000 lbf (44 kN) /15.800 lbf (70 kN).CF-104D38 chiếc phiên bản huấn luyện với bộ điều khiển kép của phiên bản CF-104, được chế tạo bởi Lockheed nhưng trang bị động cơ J79-OEL-7 của Canada. Một số sau này được chuyển cho Đan Mạch, Na Uy và Thổ Nhĩ Kỳ.