Первый полет F-104C (56-0883) состоялся 17 июля 1958 г в Палкдейке. Самолеты поставлялись в ТАК с сентября 1958 г по июнь 1959 г. Всего было выпущено 77 F-104C. Первой получило их 479-е тактическое истребительное крыло на базе Джорджи в Калифорнии, которое, впрочем, стало практически единственной частью, использующей этот истребитель-бомбардировщик. В течении 1961 г F- 104С были доработаны по программе "Гриндстоун" – усиления вооружения. Дополнительная пара ракет "Сайдуиндер" AIM-9 подвешивалась на специальной пусковой установке под фюзеляжем – уникальной для ВВС США. Во время берлинского кризиса авиакрыло было переброшено в Германию на базу Битбург. Потом авиакрыло пробыло во Флориде до конца кубинского кризиса, а с ноября 1963 г часть F-104C из 479-го крыла использовалась для различных испытательных полетов в Арктике.
В 1965 г "Старфайтеры" из 479-го крыла ТАК появились на базе Да Нанг в Южном Вьетнаме – всего 25 самолетов. Их пытались использовать по наземным целям, обычно с парой 350-кг бомб. Но боевые качества самолета для действий по наземным целям оказались невысокими, и F- 104С все чаще использовались для прикрытия истребителей-бомбардировщиков в качестве "МиГ-КАП". 20 сентября 1965 г майор Смит был сбит над островом Хайнань китайским истребителем МиГ-19, став единственным пилотом F- 104, попавшим в плен. Всего в Юго-Восточной Азии самолеты 479-го крыла совершили 2269 боевых вылетов, потеряв 9 машин. В 1967 г авиакрыло было выведено из Вьетнама. В 1969 г F-104C были сняты с вооружения и сданы на Дэвис- Монсен. Позже оттуда забрали 16 самолетов для вооружения двух эскадрилий перехватчиков национальной гвардии в Пуэрто-Рико – 198-й и 156-й. В 1975 г их окончательно сняли с вооружения и заменили на "Корсары"-Н A-7D.
Параллельно с F-104C выпускался его двухместный вариант – F-104D. Тактическое воздушное командование требовало учебно-боевой двухместный самолет, а не просто вывозную спарку. В результате F-104D лишился пушки "Вулкан", на зато получил пять пилонов для подвески боевой нагрузки. Первый полет F-104D (57-1314) состоялся 5 октября 1958 г. Всего "Локхид" поставила 21 F-104D, использовавшихся до 1975 г. Таким образом, ВВС США приняли 294 самолета F-104, из которых за 15 лет эксплуатации были потеряны 160 – наивысший "результат" среди истребителей "сотой серии".
"Старфайтер" довольно послушен в управлении и хорошо реагирует на рули, вопреки опасения новичков, походящих к самолету с некоторым предубеждением. Ручкой следует работать энергично, но мягко. Двигатель J79 точно реагирует на малейшее движение сектора газа"
Первоначально ВВС США заказали несколько сот истребителей F-104A, и в соответствии с этим готовилось производство. Но заказ в конце концов был резко сокращен, что привело к образованию избыточных мощностей. Оплаченная американскими налогоплательщиками оснастка с одной стороны оказалась заботой для "Локхида", а с другой позволяла поставлять самолеты за рубеж по цене меньшей, чем американским ВВС. В результате фирма стала предлагать F-104 чуть ли не по демпинговым ценам, активно, как оказалось позже, "смазывая" механизм закупки потенциальных клиентов.
Одновременно по другую сторону океана уже знакомые в истории авиации лица подыскивали самолет, дававший Германии пропуск в клуб "Двух махов". Только что образованные ВВС бундесвера в 1957-58 г выработали требования к такому самолету, причем весьма амбициозные: скорость свыше двух Махов; всепогодность применения; самолет должен был нести ядерное вооружение; новый самолет должен был существовать по крайней мере в опытном образце. Претендентами в то время могли рассматриваться только три самолета: французский "Мираж"-III и американские "Супер Тайгер" F11F-1F "Груммана" и "Старфайтер" F-104 "Локхида". Первый еще доводился, второй не нашел признания в самих США, а третий уже выпускался серийно и был известен своими рекордами. Фирма "Локхид" и американские официальные лица приложили все усилия для получения контракта. Так в июле 1958 г на базе 83-й эскадрильи перехватчиков была сформирована демонстрационная группа, в которую собрали все F- 104В. Она успешно рекламировала творение "Локхида" в Европе перед публикой и официальными лицами.