Уникальные скоростные качества самолета привлекли к нему внимание разработчиков новых вооружений. В течении 1959 г "Локхид" вместе со "Сперри-Феникс компани" приступили к переоборудованию "Старфайтера" в "двухмаховую" мишень QF-104A. Первые полеты были проведены в конце 1960 г, а всего было переделано 22 самолета первых серий. С них снималось все боевое вооружение, был установлен приемник системы управления, телеметрия, оптические и электронные системы контроля, дымогенератор, самоликвидатор, была увеличена емкость баков. Сохранилась возможность управления самолета пилотом. Интересно, что катапультируемое вниз сиденье пилота было заменено на "нормальное" фирмы "Локхид" – С-2, что обеспечивало лучшие шансы на выживание. Во время эксплуатации QF-104A редко уничтожались и обычно спасались для повторных стрельб. Например, так они использовались для испытаний зенитных ракет "Бомарк" IM-99A и IM-99B. QF-104A также использовались для доводки двигателя J79-GE-3A и решения проблем с уборкой шасси. Паро- доксально, но летающие мишени QF-104A протянули дольше, чем собственно "Старфайтеры" в составе ПВО и тактическом командовании – до начала 1970 г.
Снятые с вооружения F-104A передавались союзникам США. Первыми их в 1960 г получили гоминдановцы – 26 F-104A и F-104B. Часть из них позже была передана Иордании и Пакистану. Довольно много F-104A получила Иордания. После "шестидневной" войны Иордания потеряла почти все самолеты своих ВВС. Поставки F-104A начались еще до войны, но потом американцы хотели от них воздержаться. Тогда король Хусейн пригрозил закупить советские МиГ-21, и американцы быстро "передумали". Поставки возобновились с середины 1969 г. Всего было получено 22 F- 104А и В, поступившие в 9-ю эскадрилью. В ноябре F-104A уже участвовали в боях на стороне мятежников против самого Хусейна. С 1979 г иорданские "Старфайтеры" стали заменяться на F-5E "Тигр"-II.
Пакистан стал единственной страной, чьи F-104A действительно вступили в бой со своим теоретическим противником многочисленных "научных" трудов по боевой авиации – МиГ-21. Всего Пакистан получил 12 F-104A/B. В бой они пошли еще в 1965 г. Во время войны 1971 г F-104A вели довольно активные воздушные бои против индийских ВВС. Так 4 декабря F-104 якобы сбили Су-7 и "Гнат" (индийцы утверждали, что все потерянные ими Су-7 были сбиты зенитным огнем). 12 декабря состоялся первый воздушный бой между двумя F-104A, штурмовавшими индийский аэродром на побережье залива Куч, и "МиГами". Один F- 104А был сбит пушечной очередью МиГ-21 ФЛ с предельной дистанции. Победу одержал лейтенант Сони. В последний день войны – 17 декабря состоялось еще два боя. Около Уттаслаи одиночный F-104A был перехвачен МиГ-21 и сбит ракетой и пушкой, а третий F-104A был сбит под Умаркотом. Он первым вышел в атаку на МиГ-21, но проиграл бой на виражах, где преимущество было явно за МиГом. Такая активность в последние дни конфликта явно давно изношенных пакистанских самолетов объяснялась просто – 10 F- 104 были предоставлены в наем Иорданией вместе с пилотами. Обратно вернулось шесть… Индийцы утверждали об уничтожении еще одного F-104 в последний день конфликта, а пакистанцы утверждали, что он потерпел аварию. Американские историки потом писали, что F-104 не планировал для для маневренного боя на малых высотах, но если он был при этом и незапланированным, явно неудачным перехватчиком, то для чего же вообще он создавался?
Три F-104A были выполнены с ракетным двигателем "Роккетдайн" LR-121/AR-2 тягой 2700 кг специально для высотной подготовки космонавтов. Помимо ракетного двигателя они получили хвостовое оперение по типу F-104B и реактивную систему управления на больших высотах. Первый NF-104A (56-076) полетел в июле 1963 г. Самолет был очень сложен в управлении и это послужило причиной аварии, во время которой в январе 1963 г чуть не погиб "Чек" Ягер. Самолеты использовались два года в школе летчиков- испытателей на Эдвардсе.
"И вот мы уже в пилотажной зоне. Несколько "восьмерок" – инструктор проверяет вашу координацию и работу приборов. Маневр начинается на скорости 840 км/ч с перегрузкой 2-3g. В верхней точке она падает до 280 км/ч, прежде чем самолет вновь устремится вниз по петле. Управляемость на небольшой скорости отличная – мы держимся на дистанции всего 5-6 м за ведущим…"
Первоначально "Старфайтер" предназначался для замены "Супер Сейбра" F-100, но F-104A для этого не годился, и "Локхид" продолжила разработку специализированной версии тактического истребителя (модель 183). В результате появился третий серийных вариант – F-104C, совершивший свой первый полет в 1958 г. На левом борту фюзеляжа была установлена штанга дозаправки топливом в полете. На самолет был установлен двигатель J79-GE-7 тягой 4536 кг (7167 кг на форсаже) – на полтонны больше, чем у предшествующей модели. Это позволило расширить "список" боевой нагрузки согласно запросам тактического авиационного командования.