本家アメリカ空軍では冷遇されたが、日本やNATO各国などで主力機として活躍した。大抵の国では80年代~90年代初めまでに退役が進められたが、イタリア空軍は2004年まで運用。F-104Sは、AIM-7スパロー空対空ミサイルの運用が可能。エンジンの改良で最高速度はマッハ2.4に達し、F-104シリーズ中最速を誇る。その後性能向上型のF-104S ASAが登場。ルックダウン・シュートダウン能力が向上したレーダー、新型IFF(敵味方識別装置)・FCS(火器管制装置)を搭載。98年から航法装置や計器の改良を中心とした改良型ASA-Mが登場した。