为了完成攻击，计算光学瞄准具和一个陀螺仪投影出了一个标线“准心”，这同样也可以调制为手动瞄准。
AN/ASG-14雷达拥有足够强大的能量来执行空优任务，这就是它设计之初视距内空战的任务表现。使用更大的搜索雷达来执行视距外作战任务还要过好几年才会实现。
驾驶F-104的飞行员和他们同时代的同僚们依靠地面管制雷达来获得关于距离更远的目标的信息。大卫.安德鲁斯(David Andrews)中校回忆道F-104是这样的一种截击机，“我们经常带着翼尖副油箱飞行，其它的副油箱用于转场或者跨国飞行，随之而来的是最大速度的降低，我们有一个很小的‘窗口’来定位、攻击并返回基地。我怀疑‘上面的人’把一次F-104A的拦截当成了一次单程攻击，我们和地面管制拦截官(GCI)合作并依靠他们来进行最初的目标捕捉，而且我们都练习了高空和低空的拦截，我们不被认为这是一种仅靠目视气象条件飞行的战斗机。
星战斗机工整的座舱布局，照片中的是一架F-104C。
快速反应拦截由一名地面拦截管制官指挥，F-104飞行员被派去以超音速拦截一个距离基地120至150英里的入侵者，当他还剩下1500磅油料的时候就开始返航。
风挡下方安装的一个红外瞄准具被用于夜间或者其它无法进行目视瞄准的情况下，但是比雷达的作用距离要短。它拥有一个14°角的视野，还有一个光电管通过一个扫描器圆盘里的两个狭缝来接收红外能量。然后从电气上转换为瞄准具复合玻璃上的交叉形状目标指示。一架大型轰炸机将在14英里处用一个叉号显示，而在近一点的距离上，它的每一台发动机都会用一个叉号表示上。在早期的战斗机配置上，F-104同样被要求能够以2马赫速度飞行的同时在延长的梯形导轨上挂载并发射一枚MB-1(AIR-2A妖怪)核空对空火箭。其中一架飞机(56-0749号机)测试了这种装置，但是它没能够进入现役，然而，它后来被NASA用于火箭发射的测试。
服役
随着YF-104A的测试持续到1956年，美国空军在3月2日签署了第一份购买这种飞机的合同，这146架F-104A和6架F-104B都划归给防空司令部(ADC)，另有56架外部类似的F-104C归战术空军司令部(TAC)使用，另外在12月26日又追加了21架F-104C。洛克希德炙手可热的战斗机于1958年1月26日进入加州汉密尔顿空军基地的83FIS中队服役，比预期服役的时间晚了2年。对于防空司令部来说，这种飞机独特的爬升和速度在当时是引人注目的，那个时候美国人认为他们的轰炸机群远落后于苏联。但这个假象在1961年被洛克希德的另一种产品U-2侦察机驱散了，在侦察飞行中发现苏联空军的规模比想象中的更小，而且在1958年也没有任何“核动力轰炸机”存在的迹象。
然而，在那个时候，防空司令部已经订购了长时间被拖延的F-102A三角剑和之后的发展型F-106A三角标枪。配备了一台更强劲的搜索雷达和妖怪核空对空火箭，这才是防空司令部想要的截击机，但它也被拖延了，生产要一直等到1959年5月才开始。防空司令部因此决定使用F-104A(还有F-101B)作为一种临时的过度性截击机而不是空优战斗机，因为它的表现明显强于现有的F-102A和更加老旧的型号。
第一架F-104B在1957年2月7日首飞，而83FIS中队在1958年初收到了第一架这种飞机，前起落架是向后收起(和XF-104一样)，而不像单座型一样朝前收起。这种F-104手动开合的座舱盖(如照片中原始的最小中段)比起绝大多数现代飞机上的动力翻盖式座舱盖都要轻，但是只能让飞行员从右侧登机。
一些像斯坦利.霍尔托纳(J Stanley Holtoner)准将这样的高级官员也表达了一些担忧，他批评到飞机短小的拦截半径只能够使用飞机内部的油料。他估计只能拦截150英里范围内在45000英尺高度上飞行的目标，而且高度更高，半径就更短。事实上，尽管F-101、F-102和F-106的亚音速拦截半径更大，但F-104是唯一一种能挂着翼尖响尾蛇导弹以1.5马赫(或者更高的速度)拦截150英里范围内目标的飞机。紧急升空后的拦截时间要比F-106A短，而且其拦截半径比起任何同类战斗机都远。F-104航程短小的谣言神话起源于高级军官和政客在双座的F-104B上测试2马赫的飞行，这种飞机的载油量只相当于单座机载油量的73%。
F-104B有2个完整的座舱，以及具备响尾蛇导弹发射能力的AN/ASG-41系统，但是火神炮被取消了，并换成了一个120加仑的油箱安装在炮舱里。降低基本燃料的储存量来容纳下第二个座舱把最大的航程缩短了350英里，而且在前6架飞机之后，一个被大幅放大、液压提振的尾舵被安装上去，以保证方向的稳定，这个特征在F-104C之后的型号中也被保留了下来。
作战能力
短直的主翼加上T型尾翼，使得星战斗机成为了一款响应非常好的飞机，但是只有在高于300至350节速度飞机时才会“醒过来”。一名出色的F-104飞行员不会让飞机“慢下来”，而是展现出飞机高推重比的性能，迅速加速进入战斗(由于F-104很小的视觉特征使其很难被发现)。因为这种飞机能够在加速上超过每一种当代的敌机，而且能够很容易地利用最大速度的优势，尤其是在中空和低空，所以一名飞行员可以随时选择加入战斗或者脱离战斗。
同样，F-104的小阻力、有效的发动机/机身组合和大量的内部燃油装载使其拥有不错的持续战斗能力。一架F-104可以用副油箱里的油料飞到敌人领土上空，然后扔掉副油箱参加空战，从低空进入，以最大推力战斗5分钟，用剩下的油料返航并安全降落。值得注意的是，星战斗机的低阻外形使其在中间推力下拥有很高的战斗巡航速度。
确实，一架F-104A挂载了2枚翼尖的AIM-9B可以很轻松地达到2马赫的飞行速度，而挂载了2个翼尖副油箱后的最大速度被限制在1.7马赫。不管哪种情况下，飞机都能有效地提供空优掩护。