在这些革新中最明显的就是前所未有的轻薄、坚固的锥形主翼，在54.75英尺长的机身(F-104A)的每侧仅延伸出7.5英尺，于是问题就来了“主翼在哪里？”这是试飞员托尼.勒维尔(Tony LeVier)提出来的，他是第一位驾驶这种高度机密的原型机的其中一人。他同样也是在1954年3月4日驾驶XF-104完成首飞的飞行员。整架飞机的翼展只有21英尺9英寸，比30年代的P-26玩具枪还短了5英尺3英寸。其产生的优势就是高滚转率，而且只有小主翼的诺斯罗普F-5/T-38能够与其相比。
由于厚度/弦展比仅为3.36%，最大的翼根处为4.2%，而最小处的翼尖为1.96%。在主翼上没有空间来装油料或者起落架，所有这些都被安进一个圆滑的、像管子一样的机身里。起落架有一个备用的手动收放装置和防滑刹车。帮助减速的还有一个18英尺直径的圆形减速伞。后来又追加了一个阻拦钩，让减速伞打开之后会被半放下。此外翼尖还可以挂载2个170加仑副油箱，或者在翼下挂载2个195加仑副油箱。这些热处理钢材打造的副翼由10个圆柱形的“短笛”液压助动器控制，被纳入到主翼内部1.1英尺深处的一块金属板上。双凸翼型在前端有一个像黄油刀一样锋利的前缘，厚度只有0.016英尺，前缘被可拆卸的护板保护着，以防止把地面上的地勤们割伤。
从主翼到机身的连接部分之间没有“完整”的结构，这种没有筋骨的主翼结构被安装在5个承重锻件上，再被包裹进主翼的蒙皮里。为了防止在高速飞行时飞行控制组件被扭曲，同样为了提供足够的强度和刚度，主翼蒙皮被安装在由一整块铝材车出来的核心骨架上。一个类似的但是刚性不足的主翼平台被用在道格拉斯的X-3短剑验证测试机上，并在1952年进行了试飞，可是X-3缺少一台合适的发动机来展现这种主翼在高速状态下的潜质。
绝大多数星战斗机的早期飞行都是由洛克希德的首席试飞员托尼.勒维尔(Tony LeVier)完成的，照片里，勒维尔(左)和首席工程试飞员赫尔曼.萨尔蒙(Herman ‘Fish’ Salmon)正在交谈中。
设计师们之前试用了各种配置，随机选择一个高“T型”尾翼布局。紧张的风洞测试和利用5英寸火箭弹的自由飞行调查显示T型尾翼布局能够将阻力减到最少，同时提供最好的稳定性和F-104在其飞行包线范围内的控制能力。这种方法的水平尾翼安装降低了相互之间干扰的阻力，而且在跨音速和超音速阶段将调整的范围最小化。很多飞机在跨音速飞行时都会让机鼻变得笨重，但F-104的变化却微不足道，很明显地增强了其机动性能。水平尾翼作为垂尾末端的平板。有效地用一块相对较小的垂尾为飞机提供了积极的二面角效应。事实上，这种垂尾的二面角效应被证明过于强劲，而且在卡尔斯潘的NT-33A变稳试验机上完成测试后，星战斗机的主翼上采用了一个10°的下反角，以此来改进其操纵特征。
然而，星战斗机的操纵并不是没有缺点的。其中一个在整体设计上固有的缺陷就是上仰，就像洛克希德的试飞员G.L.里维斯(‘Snake’ Reaves)解释道的：
“一个充分展现出来的上仰最好可以被描述为不可重复的失速机动，这是飞机高平尾所固有的特征。在F-104上选择一个薄的超音速主翼相比起常规的亚音速主翼而言提高了抗失速的能力。超音速主翼在各个攻角(AoA)下所提供的升力如果换到亚音速主翼上则会造成失速。假设F-104以极大的攻角飞行时，整架飞机的升力配置也不会减少。
在高攻角下，飞机主翼和机身上产生的强大空气紊流将会覆盖住F-104的高平尾，引发飞机机鼻下倾的趋势，而且在俯仰的轴线上变得无法控制。里维斯和他的试飞员同伴们改进了飞机改出尾旋的技术，以防止这种情况发生甚至进入平缓的尾旋。另一名试飞员詹姆斯.霍利曼(James ‘Jake’ Holliman)认为F-104“毫无疑问是自1944年它的爷爷F-80开创了美国空军的喷气时代以来操控性能最好的飞机。”他同样也注意到了飞机上仰的问题，而且事实上“F-104的配置继续在任何攻角上提供升力，如果是在一架更加普通的飞机上，那将会造成完全的失速。”
YF-104A-1-LO 55-2965正在美国空军的飞行测试中心测试AIM-9B导弹，相比起三角翼或者后掠翼，平直的主翼能够在每平方英尺的面积上提供更高的升阻比。在2马赫飞行时制造的阻力更小，而且重量达到最轻。让主翼前缘后掠26°的建议是在无数次的5英寸高速火箭试飞后得出的，每一次发射都测试不同的主翼。在凯利.约翰逊看来，这样的测试对于选择一种合适的小主翼是至关重要的，因为这样可以避免主翼震颤的问题。后者在风洞测试时只有冒着把风洞玩坏的危险才能发现这样的问题，所以火箭测试就是答案。这是一种开拓性的主翼方案，而且后来经过改进后被采用到诺斯罗普的F-5和通用动力的F-16上。
为了警告飞行员在高攻角下飞行的危险性，飞机上安装了一台自动俯仰控制(Automatic Pitch Control：APC)系统。当它在座舱的表盘里显示“5”，这个系统将会被启动，引发自动的“抖杆”让操纵杆震动，并且发出险恶的“机枪”声。如果飞行员仍旧没有做出反应，接下来就会启动自动俯仰控制“踢杆”----一个液压的油缸将操纵杆向前推，来把机鼻往下压。这个系统在美国空军的坚持要求下被安装上去，一部分原因是在麦道T型尾翼的F-101巫毒上出现了严重的上仰问题，而且认为所有的飞机，包括教练机都应该安装上一台“抖杆”警告系统。凯利.约翰逊更青睐于使用听觉警告系统(与后来在F-4鬼怪II上使用的很相似)，因为如果飞行员避开了高仰角的机动，F-104是很难进入到危险的高仰角状态中的。
在亚音速飞行时，即使是由新手驾驶，主翼本也会提供足够的失速警告。然而，在亚音速条件下，猛烈推拉操纵杆和滚转的倾向让通常的空气动力信号无法提供即将出现的失速警告，因此一台警告系统是必要的。F-104飞行员的操作手册上是禁止猛烈拉杆的，不是因为它本质上的危险(F-104在绝大多数情况下都不会进入尾旋)，而是因为飞机在失速后进入尾旋会损坏机体。当飞机上仰后，机身会向一侧剧烈倾斜进入气流中，而尾部则会从右侧向左滚转。在F-104进行尾旋特征的测试飞行期间有几次把机身都扭坏了。
早期的飞行员们强调，尽管飞机的配置不同寻常，但星战斗机实际上的特征和一架普通的飞机差不多，可是它需要小心、平缓的操作，它不会容忍“一不小心”或者“暴力”驾驶。借助着这些在早期测试中所发现的问题，这样就可以继续有效地为F-104飞行员提供安全飞行指导，但是没能观察出它们毫无疑问地成为了这种飞机在国外空军中服役期间高事故率的一个主要原因。就像‘Jake’霍利曼评论道的“你对她粗暴，那么你的下场会很惨。平缓并且绅士些，那你就会驾驶得很愉快，如果你有足够的高度等待飞机改出，‘上仰’并不意味着‘放弃’。”