Clarence "Kelly" Johnson, kỹ sư trưởng nhóm Skunk Works của hãng Lockheed, đã đến thăm Triều Tiên vào tháng 12 năm 1951 và đã nói chuyện với các phi công tiêm kích về loại máy bay nào mà họ cần đến. Vào lúc này các phi công Hoa Kỳ đang phải đối đầu với những chiếc MiG-15 "Fagot" bằng những chiếc F-86 Sabre của họ, và nhiều phi công Mỹ cảm thấy rằng những chiếc MiG vượt trội hơn những thiết kế Hoa Kỳ to hơn và phức tạp hơn. Các phi công đã yêu cầu một chiếc máy bay nhỏ và đơn giản với tính năng bay xuất sắc. Khi trở về Hoa Kỳ, Johnson ngay lập tức bắt đầu thiết kế một kiểu máy bay như vậy. Đến tháng 3 năm 1952, nhóm của ông tập họp lại, và họ đã nghiên cứu nhiều thiết kế khác nhau, từ những thiết kế nhỏ chỉ có 8.000 lb (3,6 tấn), cho đến những máy bay to đến 50.000 lb (23 tấn). Kiểu thiết kế L-246 giữ lại sự tương đồng chủ yếu của chiếc L-083 Starfighter được giao sau này.

Thiết kế được trình bày cho Không quân Hoa Kỳ vào tháng 11 năm 1952, và họ đã có sự quan tâm đủ đến mức tạo ra một gói thầu thiết kế mới và mời nhiều công ty khác cùng tham dự. Đã nhận được ba mẫu thiết kế khác: kiểu Republic AP-55, một phiên bản cải tiến chiếc nguyên mẫu XF-91 Thunderceptor, kiểu North American NA-212 vốn sau này sẽ trở thành chiếc F-107, và kiểu Northrop N-102 Fang, một thiết kế mới dựa trên kiểu động cơ General Electric J79. Cho dù tất cả đều lý thú, Lockheed đã có được sự dẫn đầu không thể vượt qua được, và họ được trao hợp đồng phát triển vào tháng 3 năm 1953. Chiếc nguyên mẫu được đặt cho tên gọi là XF-104.

Công việc tiến triển nhanh chóng, với một mô hình mẫu được sẵn sàng để xem xét vào cuối tháng 4, và công việc bắt đầu trên hai chiếc nguyên mẫu vào tháng 5. Vào lúc đó, kiểu động cơ J79 còn chưa sẵn sàng, nên cả hai chiếc nguyên mẫu được thiết kế để trang bị kiểu động cơ thay thế Wright J-65, một phiên bản chế tạo theo giấy phép nhượng quyền của kiểu động cơ Armstrong Siddeley Sapphire. Chiếc nguyên mẫu đầu tiên được hoàn tất vào đầu năm 1954, và bắt đầu bay từ tháng 3. Tổng thời gian từ lúc thiết kế đến lúc bay chuyến bay đầu tiên là khoảng hai năm, một thời gian rất ngắn ngay cả vào lúc đó, và chưa hề nghe đến vào hôm nay, khi một công việc thiết kế tiêu biểu đòi hỏi mười đến mười lăm năm.

Để đạt được tính năng bay mong mỏi, Lockheed đã chọn cách tiếp cận tối thiểu hóa: một thiết kế đạt đến tính năng bay tốt nhất nhờ gói gọn một khung máy bay nhẹ nhất, có hiệu quả khí động học tốt nhất có thể có được chung quanh một động cơ duy nhất mạnh mẽ. Điểm nhấn mạnh chính là ở giảm tối đa lực cản và trọng lượng.

Cánh

Chiếc F-104 mang một thiết kế cánh gốc. Đa số máy bay tiêm kích phản lực thời đó (và cho đến hôm nay) sử dụng kiểu cánh xuôi hay kiểu cánh tam giác. Điều này cho phép có được sự cân bằng hợp lý giữa tính năng khí động học, lực nâng, và chỗ chứa bên trong dành cho nhiên liệu và thiết bị. Các thử nghiệm của Lockheed lại cho thấy hình dạng hiệu quả nhất để bay siêu thanh tốc độ cao là một kiểu cánh rất nhỏ, thẳng, gắn giữa, hình thang. Cánh khá mỏng, với một tỉ lệ chiều dày-chiều rộng chỉ có 3,36% và một tỉ lệ dài-rộng cánh là 2,45. Mép trước cánh mỏng (0,41 mm; 0,016 in) và sắc đến mức nó trở nên nguy hiểm cho đội mặt đất, và phải gắn một nắp bảo vệ cho nó mỗi khi hoạt động trên mặt đất. Độ mỏng của cánh như vậy khiến các thùng nhiên liệu và bộ càng đáp phải được bố trí bên trong thân. Các động cơ dùng trong vận hành các bề mặt kiểm soát máy bay phải có bề dày chỉ là 25 mm (1 inch) để gắn vừa trong cánh. Cánh có các cánh nắp phụ ở cả mép trước và mép sau. Kiểu cánh nhỏ có áp lực cánh lớn đã làm cho tốc độ hạ cánh của chiếc máy bay lớn không chấp nhận được, nên một hệ thống BLCS (boundary layer control system) gồm các cánh nắp thổi được tích hợp, hướng luồng khí động cơ đến các cánh nắp trên mép sau cánh nhằm cải thiện lực nâng. Hệ thống này quả là một lợi ích để hạ cánh an toàn, cho dù nó là một vấn đề bảo trì lớn khi phục vụ, và hạ cánh mà không có hệ thống BLCS quả là gay go.

Các bề mặt cánh đuôi

Cánh ổn định ngang (cánh đuôi ngang) được gắn bên trên cánh đuôi đứng để giảm thiểu lực kết hợp quán tính. Vì cánh đuôi đứng chỉ hơi ngắn hơn so với chiều dài mỗi cánh và có hiệu quả khí động học gần như tương đương, nó có thể hoạt động như là một cánh khi hoạt động bánh lái đuôi (một hiện tượng được gọi là lộn vòng kiểu Hà Lan). Để bù đắp lại hiệu ứng này, cánh chiếc máy bay được cho nghiêng xuống, tạo ra một góc nhị diện 10°.

Thân máy bay

Thân chiếc Starfighter có một hệ số thon cao, vuốt nhọn về phía mũi, và diện tích mặt trước nhỏ. Thân máy bay được bố trí sít sao, chứa đựng radar, buồng lái, khẩu pháo, toàn bộ nhiên liệu, bộ càng đáp, và động cơ. Kiểu thân này phối hợp cùng cánh tạo ra lực cản cực kỳ thấp trừ khi ở góc tấn (alpha) lớn, lúc mà lực cản phát sinh trở nên rất lớn. Kết quả là chiếc Starfighter có được gia tốc xuất sắc, tốc độ lên cao và vận tốc tối đa đầy tiềm năng, nhưng khả năng duy trì lượn vòng khá kém, bị nhiều người ví von như là xe tải giao sữa hơn là một chiếc máy bay tiêm kích. Nó có các điều khiển bay cực kỳ nhạy, và sẽ không dung thứ cho sai lầm của phi công.

Việc thử nghiệm một mô hình của chiếc F-104 trong hầm gió của NACA (Ủy ban Tư vấn Quốc gia về Hàng không) được tiến hành nhằm đánh giá độ ổn định, và khám phá ra rằng nó càng trở nên mất ổn định ở góc tấn lớn hơn, đến mức có một khuyến cáo phải giới hạn lực cơ cấu điều khiển tạo ra góc tấn lớn như vậy, và rung động cần điều khiển để cảnh báo phi công. Trong cùng báo cáo, NACA cho biết các thùng nhiên liệu ở đầu chót cánh, có thể do các vây ổn định của nó, đã làm giảm thiểu phần nào vấn đề mất ổn định của kiểu máy bay này ở góc tấn lớn.

Động cơ

Chiếc F-104 được chế tạo chung quanh một động cơ turbo phản lực General Electric J79, nạp khí bằng hai cửa hút gió bên hông với lỏi cửa hút hình nón cố định, được tối ưu hóa cho tốc độ siêu thanh. Không giống như một số kiểu máy bay siêu thanh khác, chiếc F-104 không có cửa hút gió với hình dạng thay đổi được. Tỉ lệ lực đẩy-lực cản rất xuất sắc, cho phép một tốc độ tối đa vượt quá Mach 2, tuy nhiên tốc độ tối đa của chiếc Starfighter bị giới hạn bởi cấu trúc thân máy bay bằng nhôm và giới hạn nhiệt độ của động cơ hơn là do lực đẩy hay lực cản (vốn có thể cho một tốc độ khí động học tối đa lên đến Mach 2,2). Các phiên bản sau này còn sử dụng các phiên bản động cơ J79 được nâng cấp, cải thiện lực đẩy thêm 30% nữa.

Trang bị và vũ khí

Những chiếc Starfighter đời đầu trang bị một kiểu ghế phóng hướng xuống dưới loại Stanley C-1, mà không sử dụng kiểu ghế phóng lên trên để không vướng phải cánh đuôi. Điều này đã đưa đến những vấn đề hiển nhiên khi thoát hiểm ở độ cao thấp, và đã có khoảng 21 phi công Không quân Hoa Kỳ đã không thoát ra được khỏi máy bay hỏng của họ trong tình huống khẩn cấp ở cao độ thấp vì nó. Kiểu ghế phóng hướng xuống dưới sau đó được thay bằng kiểu ghế phóng hướng lên trên Lockheed C-2, có khả năng tránh được cánh đuôi cho dù phải có giới hạn tốc độ tối thiểu 170 km/h (90 hải lý mỗi giờ). Đa số những chiếc Starfighter xuất khẩu được trang bị loại ghế phóng zero-zero Martin-Baker (có khả năng phóng phi công ra khỏi máy bay thành công ngay cả ở độ cao và tốc độ là zero).[4]

Những chiếc Starfighter ban đầu của Không quân Hoa Kỳ được trang bị radar căn bản đo tầm xa AN/ASG-14T, hệ thống dẫn đường chiến thuật TACAN và radio. Sau này những chiếc tiêm kích-ném bom xuất khẩu có hệ thống radar Autonetics NASARR tiên tiến hơn, bộ ngắm hồng ngoại đơn giản, một hệ thống dẫn đường quán tính Litton LN-3, và một máy tính thông tin trên không.

Vào cuối những năm 1960, Lockheed phát triển một phiên bản Starfighter hiện đại hơn đặt tên là F-104S, được Không quân Italia (Aeronautica Militare Italiana) sử dụng như máy bay tiêm kích đánh chặn hoạt động trong mọi thời tiết. Chiếc F-104S có hệ thống radar NASARR R21-G có thể chỉ định mục tiêu di động (có thể chống lại các mục tiêu ở cao độ thấp) và bộ phát sáng bằng sóng liên tục dành cho tên lửa dẫn đường bán chủ động bằng radar, bao gồm loại AIM-7 Sparrow và Selenia Aspide. Việc trang bị thiết bị điện tử dẫn đường cho tên lửa khiến buộc phải loại bỏ khẩu pháo bên trong của chiếc Starfighter. Vào giữa những năm 1980, những chiếc F-104S còn lại được nâng cấp lên tiêu chuẩn ASA (Aggiornamento Sistemi d'Arma: nâng cấp hệ thống vũ khí), với kiểu radar Fiat R21G/M1 tiên tiến và gọn gàng hơn.

Vũ khí căn bản trang bị cho chiếc F-104 là khẩu pháo Gatling M61 Vulcan 20mm. Starfighter là chiếc máy bay đầu tiên được trang bị kiểu vũ khí này, có khả năng bắn ra 6.000 viên đạn mỗi phút. Khẩu pháo được gắn ở phần bên dưới thân bên trái, và được nạp bởi một ổ chứa 725 viên đạn phía sau ghế phi công. Nó được loại bỏ trên những phiên bản huấn luyện hai chỗ ngồi và một số phiên bản một chỗ ngồi, bao gồm các phiên bản trinh sát và phiên bản F-104S đời đầu dành cho Italia (khoang dành cho khẩu súng và ổ đạn có thể thay bằng thùng nhiên liệu bổ sung). Hai tên lửa không-đối-không AIM-9 Sidewinder có thể mang trên hai đế ở đầu chót cánh, nơi cũng có thể dùng cho thùng nhiên liệu phụ. Phiên bản F-104C và những phiên bản sau đó có thêm một đế giữa dưới thân và hai đế dưới cánh để mang bom, rocket hay thùng nhiên liệu. Đế giữa thân có thể mang một vũ khí nguyên tử; và một "bè đôi" mang thêm hai tên lửa Sidewinder có thể gắn ở phía dưới phần thân trước, cho dù việc trang bị như thế có khoảng sáng đối với mặt đất ở mức tối thiểu và làm cho các đầu dò tầm nhiệt của tên lửa dễ bị tổn hại bởi các mảnh vụn trên mặt đất. Phiên bản F-104S bổ sung thêm một cặp đế trên thân phía sau cửa hút gió để mang bom thông thường, và thêm một đế dưới mỗi cánh, lên tối đa là chín đế vũ khí.

Phiên bản huấn luyện hai chỗ ngồi

Nhiều chiếc loại phiên bản huấn luyện hai chỗ ngồi của chiếc Starfighter đã được sản xuất. Một cách tổng quát chúng tương tự như kiểu tiêm kích một chỗ ngồi, nhưng việc bổ sung thêm buồng lái thứ hai buộc phải loại bỏ khẩu pháo và một số lượng nhiên liệu bên trong. Bánh đáp mũi được dời chỗ và gập về phía sau. Phiên bản hai chỗ ngồi vẫn có khả năng chiến đấu với các tên lửa Sidewinder, và cho dù nặng hơn và có cánh đuôi hơi lớn hơn, nó vẫn có được tính năng bay tương đương với phiên bản một chỗ ngồi đời đầu.