Модернизировали вооружение. Так, для увеличения темпа стрельбы пушки М61А1 установили новую систему подачи снарядов. Предусмотрели быструю замену пушки на топливный бак емкостью 454 л. Номенклатуру подвешиваемого вооружения существенно расширили. F-104G мог применять обычные бомбы и НАР, а также управляемые ракеты «воздух-земля» Nord AS.30 и AGM-12A Bullpap. Возможность нести ядерное оружие была сохранена.
Бортовое оборудование F-104G существенно отличалось от оборудования американских самолетов. Важнейшей составной частью новой электронной системы стал универсальный радиолокационный прицел NASARR F-15A (North American Search and Ranging Radar). Он состоял из моноимпульсной РЛС и вычислителя системы управления огнем. Станция работала в двух основных режимах: обзора местности (для бомбометания и навигации) и обзора воздушного пространства (для перехвата воздушных целей). В первом случае летчик получал дальность до цели для визуального бомбометания, плановое радиолокационное изображение местности для бомбометания в сложных метеоусловиях и рельефное отображение местности для навигации и обнаружения препятствий по курсу. В режиме обзора воздушного пространства обеспечивались поиск, обнаружение и автоматическое сопровождение воздушных целей, необходимые для автоматического запуска FIAP на встречно-пересекающихся курсах, прицельной стрельбы из пушки или запуска AIM-9 при атаке из задней полусферы. Ведение стрельбы из пушки и пуск «Сайдвиндеров» ночью облегчал теплопеленгатор. Бомбардировочный вычислитель обеспечивал бомбометание в четырех режимах: с пикирования, с полупетли вперед, с полупетли назад и с горизонтального полета.
Важнейшим элементом бортового оборудования являлась система воздушных сигналов (СВС), которая при определении скорости и высоты полета учитывала не только статическое и динамическое давление от ПВД, но и температуру воздуха и угол атаки. На самолете впервые в истории истребительной авиации установили инерциальную навигационную систему Litton LN-3. Она измеряла пройденное расстояние, координаты места и путевой угол. В комплексе с радиотехнической системой ближней навигации TACAN она обеспечивала полет по заранее запрограммированному маршруту с пятью поворотными пунктами. Резервным режимом счисления пройденного пути была работа навигационного вычислителя от СВС.
F-104G быстро набирал вес, что заставило конструкторов усилить шасси. Внесли изменения и в конструкцию колес, установив тормозные диски большей энергоемкости. Кроме того, шасси снабдили автоматами растормаживания. Это позволило исключить движение самолета юзом на скользкой ВПП. Диаметр купола тормозного парашюта увеличили с 4,9 м до 5,5 м. Посадочная скорость самолета без включения СПС составляла 350 км/ч, со сдувом — 315 км/ч.
Длина пробега с СПС и тормозным парашютом — 1500-1800 м.
Первый опытный образец машины построили на базе серийного F-104A (№ 56-0770). 1 сентября 1960 г. он поднялся в воздух. «Настоящий» F-104G взлетел 5 октября. Это был первый из 66-ти заказанных немцами истребителей американского производства, остальные 210 самолетов планировалось строить в Германии на основе лицензионного соглашения.
Кроме ФРГ и Канады, новый самолет решили взять на вооружение Бельгия, Италия и Нидерланды. Затем к программе присоединились Испания и Норвегия. Такой успех объяснялся не только коррупционной составляющей, но и сравнительной дешевизной истребителя. Не последнюю роль играли также передовые летные характеристики. Ведь не каждый раз на вооружение предлагается обладатель множества мировых рекордов с новейшим оборудованием и вооружением.