最早完成换装F-104的第8中队飞行员很快就体验到了“星战士”出众的爬升和加速能力：以爬升至3万5千英尺（10500米）为例，旧式的F-86“佩刀”需要10分钟以上，而“星战士”只需要一分半钟。在日常训练中，第8中队的飞行员们最常演练的科目是0.9马赫、1.4马赫和1.7马赫三种拦截任务剖面。由于F-104A的最大升限超过了人体在无压力衣情况下的承受上限，因此一部分担负高空拦截任务的“星战士”还额外配发了类似宇航服的高空压力衣。曾经是第8中队首批换装种子飞行员的祖凌云少将对F-104A出色的高空高速性能有过如下回忆：
“第一次飞F-104比飞F-86更刺激，爬升中就超过了音速，离地后一分半钟就到达三万五千尺，似乎比心头想的还要快。加速到两倍音速，瞬间就冲过了台湾海峡……F-104A的主要任务是防空拦截，而F-104A在高空和大速度时操纵性最佳。因而训练以高空，超音速拦截为主，高度通常在三万五千英尺以上，速度常为音速1.4或1.7”。
美空军第479联队的F-104C组图，该联队为F-104C/D主要使用部队
在空对空拦截任务中，F-104A的雷达瞄准具最大搜索距离为20海里，一般能在10海里处锁定敌机。通常来说，F-104飞行员会选择在距离敌机约6海里处利用速度优势抢占六点位置，随即启动机上的“响尾蛇”导弹系统开火射击。一旦“响尾蛇”导弹脱靶或未能摧毁目标，“星战士”飞行员则可以选择使用机上的一门20毫米M61“火神”机炮摧毁敌机。“火神”机炮与“响尾蛇”导弹在当时堪称美国空军的秘密武器，前者6000发每分钟的射速甚至超过了“超佩刀”上4门M39机炮的射速总和，能轻易地摧毁各类空中目标。
前面提到，由于性能不足以满足美国空军的远程拦截机需求，F-104A“星战士”的最终产量被削减至170架（包括由YF-104A升级而来的17架产量）。以及26架F-104B双座教练/战斗机。为了满足美空军战术空军司令部的需求，洛克希德公司还生产了77架具备投掷核武器能力的F-104C战斗轰炸机和21架双座F-104D战斗教练机（F-104C/D的航电设备基本与A/B型相同）。由于“星战士”固有的航程短，武器载荷小等先天缺陷没有得到根除，因此战术空军司令部的“星战士”也早早于1967年全部退役，剩余飞机转交波多黎各空中国民警卫队第198联队使用至1975年被
A-7“海盗II”攻击机取代。
3.迈向战斗轰炸机阶段的F-104G
稍后加入台湾空军服役的F-104G“星战士”则在原有F-104A优良的高空高速性能上突出战机的多用途性能及负载能力。F-104G型战斗轰炸机起源于1956年，目的是为西欧国家提供一种轻便的两倍音速战斗轰炸机，以同时取代当时装备的F-86F“佩刀”和F-84F“雷闪”型战斗机。该机于1960年9月1日首飞成功，次年5月开始量产。
比利时皇家空军的一架TF-104G，摄于1980年
F-104G的外形诸元基本与F-104A相同，主要通过换装推力更大的J-79-GE-11A发动机，同时加强了机翼和起落架结构以负担更大的起飞重量，但稍微牺牲了飞机的速度，灵活性和操作性能。F-104G的基本数据如下：
- 机长：16.66米
- 翼展：6.63米
- 机高：4.09米
- 机翼面积：18.22平方米
- 重量：空重6350千克，正常起飞重量9480千克；最大起飞重量13050千克
- 最大时速：每小时2330公里（高度1.2万米）
- 动力：1台J79-GE-11A涡喷发动机，推力10000磅（军用推力），15600磅（加力推力）
- 实用升限：17680米/54000英尺
- 作战半径：370至1100公里
- 武器：M61火神式机炮一门（备弹725发）；最高可携带1.8吨各类炸弹、火箭弹或4枚AIM-9“响尾蛇”导弹。
- 电子设备： F15A-41B 多功能火控雷达，红外搜索系统，立顿LN-3惯导系统，AN/APX-46敌我识别系统。
F-104G的一大亮点是装备了最新型的F-15A-14B型多功能火控雷达，具备窄波束地形测绘、宽波束地形测绘、地形回避和空地测距功能等。该雷达为 X 波段单脉冲雷达，椭圆抛物面天线（43 厘米×61 厘米），重 141 公斤。搜索距离为64公里，最大跟踪距离 18 公里。换装F-15A-14B、前视红外搜索系统和AN/APX-46敌我识别系统的F-104G具备完整的夜间作战能力，相比不可靠的F-86D， F-104G无疑是台湾空军第一种真正的全天候截击机。
西德空军位于美国卢克基地训练单位的TF-104G，摄于1983年
