Những chiếc Lockheed F-104A-15-LO đang bay cùng chiếc Lockheed EC-121.

Bộ chỉ huy Không quân Phòng không Không quân Hoa Kỳ

Chiếc F-104A thoạt đầu đã phục vụ một thời gian ngắn như một kiểu máy bay tiêm kích đánh chặn cùng Bộ chỉ huy Không quân Phòng không Không quân Hoa Kỳ, cho dù tầm bay xa hay vũ khí trang bị không hoàn toàn phù hợp cho vai trò đó. Đơn vị đầu tiên hoạt động cùng kiểu máy bay F-104A là Phi đội Tiêm kích Đánh chặn 83 vào ngày 20 tháng 2 năm 1958 tại Căn cứ Không quân Hamilton ở California. Chỉ sau ba tháng hoạt động, đơn vị phải nằm lại mặt đất sau một loạt các tai nạn có liên quan đến động cơ. Những chiếc máy bay được trang bị lại bằng kiểu động cơ J79-3B và ba đơn vị thuộc Bộ chỉ huy Phòng không được trang bị kiểu máy bay F-104A. Chỉ sau một năm phục vụ, những chiếc máy bay này được chuyển cho Không lực Vệ binh Quốc gia, cho dù kiểu F-104 được dự tính chỉ là giải pháp tạm thời trong khi Bộ chỉ huy Phòng không chờ đợi để được giao những chiếc F-106 Delta Dart.[10]

Bộ chỉ huy Không quân Chiến thuật Không quân Hoa Kỳ

Phiên bản tiếp nối F-104C được đưa vào phục vụ cùng Bộ chỉ huy Không quân Chiến thuật như là một kiểu máy bay tiêm kích đa chức năng và máy bay tiêm kích-ném bom. Phi đội Tiêm kích Chiến thuật 479 tại Căn cứ Không quân George, California là đơn vị đầu tiên được trang bị kiểu máy bay này vào tháng 9 năm 1958. Chúng đã tham gia hoạt động trong Chiến tranh Việt Nam. Một lần nữa, đến năm 1967, những chiếc máy bay của Bộ chỉ huy Chiến thuật được chuyển cho Không lực Vệ binh Quốc gia.

Chiến tranh Việt Nam

Bắt đầu hoạt động trong Chiến dịch Rolling Thunder, chiếc Starfighter được sử dụng trong cả vai trò máy bay tiêm kích chiếm ưu thế trên không lẫn trong các phi vụ hỗ trợ trên không. Cho dù nó ít khi tham gia không chiến và không ghi được chiến công nào, những chiếc Starfighter cũng đã thành công trong việc ngăn cản những chiếc máy bay tiêm kích đánh chặn MiG. Các phi đội Starfighter được bố trí đến Việt Nam làm hai đợt; đợt đầu tiên từ tháng 4 đến tháng 11 năm 1965, đã thực hiện 2.937 phi vụ chiến đấu. Trong đợt đầu này, hai chiếc Starfighter bị tên lửa đất-đối-không bắn rơi, và một chiếc bị bắn hạ bởi một máy bay tiêm kích Shenyang J-6 (MiG-19 của Trung Quốc chế tạo) khi một chiếc F-104 bị lạc ra vùng biên giới, và hai chiếc F-104 bị mất do đụng nhau trên không trong cùng trận không chiến đó. Phi đội Tiêm kích Chiến thuật 476 được bố trí đến hoạt động tại Việt Nam từ tháng 4 đến tháng 7 năm 1965, bị thiệt hại một chiếc Starfighter; còn Phi đội 436 được bố trí từ tháng 7 đến tháng 11 năm 1965, bị thiệt hại bốn chiếc.

Những chiếc Starfighter quay trở lại Việt Nam khi Phi đội Tiêm kích Chiến thuật 435 được bố trí từ tháng 6 năm 1966 đến tháng 7 năm 1967. Trong khoảng thời gian này chúng đã thực hiện thêm 2.269 phi vụ chiến đấu, nâng lên tổng cộng 5.206 phi vụ được thực hiện. Có thêm chín chiếc F-104 bị mất: hai chiếc do hỏa lực mặt đất, ba chiếc do tên lửa đất-đối-không, và bốn chiếc gặp tai nạn kỹ thuật (hỏng động cơ). Những chiếc Starfighter được luôn phiên hoặc được thay đổi bởi những chiếc F-4 Phantom vào tháng 7 năm 1967, đã bị thiệt hại tổng cộng 14 chiếc F-104 do mọi nguyên nhân tại Việt Nam.[11] Những chiếc F-104 hoạt động tại Việt Nam được nâng cấp trong phục vụ với trang bị tiếp nhận cảnh báo radar APR-25/26, và một chiếc hiện nay còn đang được trưng bày tại Air Zoo ở Kalamazoo, Michigan. Những chiếc Starfighter Không quân Hoa Kỳ rời khỏi phục vụ vào năm 1969, nhưng tiếp tục phục vụ trong Không lực Vệ binh Quốc gia Puerto Rico cho đến tận năm 1975.[12]

Không quân Hoa Kỳ đã không hoàn toàn hài lòng với những chiếc Starfighter và chỉ sở hữu 296 chiếc cả phiên bản một và hai chỗ ngồi. Học thuyết của Không quân Hoa Kỳ vào thời đó xem nhẹ tầm quan trọng của máy bay tiêm kích chiếm ưu thế trên không (nhiệm vụ của máy bay tiêm kích "thuần túy"), nên chiếc Starfighter được xem là không phù hợp cho cả vai trò máy bay tiêm kích đánh chặn hay máy bay tiêm kích-ném bom chiến thuật, do yếu kém cả về tải trọng chiến đấu lẫn thời gian trên không so với những kiểu máy bay khác của Không quân. Vai trò phục vụ của nó trong Không quân Hoa Kỳ bắt đầu giảm dần từ năm 1965.

Chiếc Lockheed F-104A (trước đây là chiếc YF-104A), số hiệu 55-2961, số hiệu NASA 818. Thực hiện chuyến bay đầu tiên cho NASA vào ngày 27 tháng 8 năm 1956, và chuyến bay cuối cùng vào ngày 26 tháng 8 năm 1975 với tổng cộng 1.439 chuyến bay. Từng có 19 phi công NASA lái chiếc 818, trong đó có ba nhà phi hành chương trình Apollo, kể cả Neil Armstrong.

Xung đột eo biển Đài Loan 1967

Vào ngày 13 tháng 1 năm 1967, bốn chiếc F-104G của Không quân Trung Hoa Dân Quốc (Đài Loan) đã tham chiến cùng một đội hình 12 chiếc MiG-19 của Không quân Quân giải phóng Trung Quốc bên trên hòn đảo Kim Môn còn đang tranh chấp. Một chiếc MiG-19 đã được báo cáo là bắn hạ và một chiếc F-104 bị mất.[13]

Taiwan Air Force F-104J

Các cuộc chiến tranh Ấn Độ-Pakistan

Rạng sáng ngày 6 tháng 9 năm 1965, Đại úy Aftab Alam Khan trên một chiếc F-104 báo cáo đã tiêu diệt được một chiếc Dassault Mystère IV bên trên bầu trời Tây Pakistan và làm hư hại một chiếc khác, đánh dấu sự mở màn những trận không chiến trong cuộc Chiến tranh Ấn Độ-Pakistan năm 1965. Vào thời đó nó được ghi nhận như là chiến công không chiến đầu tiên của một kiểu máy bay đạt tốc độ Mach 2, và là chiến công đầu tiên thực hiện bằng tên lửa của Không quân Pakistan. Phía Ấn Độ đã phủ nhận những thiệt hại này.[14] Không quân Pakistan đã bị tổn thất ba chiếc F-104 Starfighter trong vụ xung đột năm 1965, đổi lại hai chiến công mà chúng ghi được trong cuộc chiến này.[15]

Trước đó vào ngày 3 tháng 9 năm 1965 những chiếc Starfighter được tin là đã góp phần ngăn chặn một chiếc Folland Gnat của Không quân Ấn Độ. Những chiếc F-104 đã tiếp cận nó với tốc độ siêu thanh, buộc chiếc Gnat phải hạ cánh xuống một sân bay của Pakistan bỏ không và đầu hàng. Ngược lại thông tin từ phía Không quân Ấn Độ cho rằng Thiếu tá Brij Pal Singh (sau này là Nguyên soái Không quân) đã nhầm lẫn trong định hướng và hạ cánh xuống một sân bay Pakistan. Singh bị bắt làm tù binh chiến tranh và sau đó được thả ra.[15] Tường thuật của phía Ấn Độ về sự kiện này được cũng cố bởi các bình luận viên và đội bay Pakistan, vốn xác nhận rằng những chiếc F-104 chỉ đến nơi sau khi chiếc Gnat đã hạ cánh. Chiếc Gnat của Không quân Ấn Độ giờ đây được trưng bày tại Bảo tàng Không quân Pakistan ở Karachi.

Trong cuộc Chiến tranh Ấn Độ-Pakistan 1971, những chiếc F-104 bị vượt trội trong chiến đấu bởi những chiếc máy bay tiêm kích của Không quân Ấn Độ, và cho dù được huy động thêm những chiếc Starfighter của Jordan, việc bổ sung thêm số lượng cũng không giúp cho phía Pakistan có được ưu thế trên không. Nó trở thành nạn nhân của trận không chiến siêu thanh đầu tiên trên Tiểu lục địa Ấn Độ khi một chiếc MiG-21 của Không quân Ấn Độ đã bắn rơi một chiếc Starfighter.[16] Đã có thể có đến bốn chiếc Starfighter của Pakistan bị MiG-21 của Ấn Độ bắn rơi, và thêm bốn chiếc khác bởi hỏa lực mặt đất của Ấn Độ;[17][18] cho dù phía Pakistan chỉ thừa nhận bị tổn thất ba chiếc,[19] hai chiếc do MiG-21 và một chiếc do hỏa lực pháo phòng không.[20][21]

Phục vụ quốc tế

Vào lúc mà chiếc F-104 không còn được ưa chuộng tại Mỹ, Không quân Đức đang tìm kiếm một kiểu máy bay chiến đấu đa dụng. Chiếc Starfighter được giới thiệu và được tái cấu trúc từ một kiểu máy bay tiêm kích bay ngày thành một kiểu máy bay tiêm kích đánh chặn và tấn công mặt đất hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, phiên bản F-104G. Chiếc máy bay đã tìm được thị trường mới tại các nước thành viên khối NATO, và sau đó đã có 2.578 chiếc F-104 được chế tạo tại Mỹ và nước ngoài cho nhiều nước khác nhau. Nhiều nước đã nhận được những chiếc máy bay của họ trong chương trình Viện trợ Quân sự (MAP: Military Aid Program). Động cơ kiểu Mỹ được giữ lại nhưng được chế tạo theo giấy phép nhượng quyền tại Châu Âu, Canada và Nhật Bản. Kiểu ghế phóng của Lockheed ban đầu cũng được giữ lại nhưng sau đó được thay thế tại một số nước bởi kiểu ghế phóng zero-zero tiên tiến hơn của Martin-Baker.

Cái được gọi là "Hợp đồng của Thế kỷ" đã tạo ra thu nhập đáng kể cho Lockheed. Tuy nhiên, hậu quả của vụ bê bối hối lộ Lockheed đã gây ra sự tranh luận chính trị ồn ào tại châu Âu và Nhật Bản. Tại Đức, Bộ trưởng Quốc phòng Franz Josef Strauß bị truy tố vì đã nhận ít nhất 10 triệu Đô La Mỹ để Tây Đức mua những chiếc F-104 Starfighter vào năm 1961.[22] Hoàng thân Bernhard của Hà Lan sau này thú nhận đã nhận được 1 triệu Đô La tiền hối lộ. Trong những năm 1970 người ta nhận biết rằng Lockheed đã tham gia một chiến dịch hối lộ rộng rãi các viên chức nước ngoài để đạt được các thỏa thuận mua bán, một vụ bê bối mà suýt nữa đã làm sụp đổ tập đoàn hàng không này.

Việc phục vụ tại nước ngoài của chiếc F-104 bắt đầu cắt giảm vào cuối những năm 1970, trong nhiều trường hợp được thay thế bởi chiếc F-16 Fighting Falcon, những nó vẫn tiếp tục phục vụ cùng một số không lực thêm hai thập niên nữa. Những chiếc Starfighter cuối cùng phục vụ tại các đơn vị chiến đấu là của Không quân Italia (AMI), vốn cho chúng nghỉ hưu vào giữa năm 2004.