在F-104服役之后，空战战术也被发展出来了，从单机看，“打了就跑”的攻击或者针对机动性较差的对手采取高速“yo-yo”机动是上策，对于更加复杂的双机协同来说，这才是当时星战斗机机群里专门使用的方法。飞行员们可以为他们的对手量身定制战术。比如像米格-17一样表现低下的飞机，F-104飞行员能够让机动速度降低到350节，而对米格-19的最低速度为450节、对米格-21的最低速度为600节。由于加州的乔治基地离内华达州的内利斯基地很近，乔治基地的F-104C(隶属于战术空军司令部的479TFW联队)经常作为通用假想敌来支援美国空军的战机武器学校。
这些F-104C同样还参与了开创性的鸡毛掸子项目，这个项目把F-86H当做米格-17、把F-5A和F-106A当作米格-21，与美国空军所有型号的战斗机进行对抗训练，目的是为了评估相应的表现以及在异机种空战中研发战术。F-104的表现震撼了很多人，在1965年7月1日，美国空军6002SEG标准评估大队公布了鸡毛掸子项目的结果，这个项目的目标是为在越南面对米格机的飞行员制定更新的3系列战术手册。F-105D、F-100D和F-4C战斗机也参与了这200场空战训练。
F-104C-5-LO 56-0883是第一架F-104C，后来成为了越战中唯一一架在空战中被击落的星战斗机。1965年9月20日上午，菲利普.史密斯上尉在4小时的战斗空中巡逻任务中被中国的米格机击落，当时，在下午的一次轰炸北越的空袭结束后，他遇到了一系列导航系统的故障失灵，导致他离海南岛越来越近。中国人通常很强烈地保卫着海南岛，而且在479TFW联队的F-104C到来之前，共产主义中国海航的沈阳歼-6(仿米格-19)战斗机经常会骚扰在岛外海上巡逻的美军飞机。就像后来在2001年4月1日一样，美国海军的EP-3E 156511白羊座II在距离海南70英里处遭到中国歼-8II长须鲸拦截后与其中一架飞机相撞(81097号机，而非政治宣传中的81192或81194号机)，最后迫降在海南陵水机场。
驾驶F-86H的飞行员发现F-104是所有这些战斗机里最具挑战性的对手，即便是在一些大过载转向过程中也是如此。在16个F-104C的起落架次里，飞行员们发现俯冲开加力逃跑是躲避敌人航炮攻击的最好办法。作为一个假想敌，最好的结果就是以高速发动突然袭击，借助星战斗机从正前方难以被目视发现的优势，同时避免了与敌人进入盘旋缠斗。对于使用响尾蛇攻击来说，出其不意是至关重要的，因为导弹严格的发射条件范围“在机动情况下的结果就是严限制了战术战斗机性能的有效发挥。”然而，在绝大多数的测试中，F-104比起其它战斗机能够更好地去对付米格-17这样的飞机，而且除了高空的盘旋战斗以外均击败了所有其它参与项目的战斗机。
在与F-86H的“狗斗”中，F-104额外的推力给予它更持久的转向能力，而且在300节以上速度的爬升中能够切到一架佩刀的内弯里，在低空，它能够以270节的速度跟着佩刀一起转圈，尽管F-86H飞行员通过更低速度下的大过载转向可以尝试并贴着F-104的航迹飞行，但是他的飞机能量迅速损失，使得F-104飞行员能够使用垂直机动来进行另一次攻击。这就被称为“高yo-yo”机动，这是美军战斗机飞行员学到的一个最基本的格斗战术。一名F-86飞行员可以使用“低yo-yo”机动来做出反制，但是需要足够的高度来这么做，因为动力不足的F-86损失了能量后，飞行员得用高度来换取速度，F-104的推重比优势在低空得到了增强，而F-86的大弦展比主翼在高空才有用，到了低空就产生了过多的阻力。这些测试给好几个国家的F-104飞行员带来了无价的数据，接下来，他们将面要对米格机、猎人、神秘和其它战斗机的挑战。
罗伯特.邦德(Robert Bond)上尉(后来的少将)，一名F-100超佩刀换装训练中队的教官飞行员评论道F-104：
“这是一只不错的小鸟，飞起来像一只蝙蝠，只要能够保持速度就可以尽可能长时间的盘旋。顺便说，它们这么做看起来一点问题都没有。我们战斗机训练中队的飞行员们在争论过了这种飞机以后又是怎样看待它的呢？我们开始考虑在这支换装训练中队里开设一项新的课程，题目么，‘如何隐含你的嫉妒’。”
F-104与“核弹”
F-104C起初是被用去取代一些战术空军司令部的F-100超佩刀，能够在低空轰炸系统(LABS)的核武器“扔弹”上得到更高的速度(提高逃跑的速度)，还有更加优越的空战质量。装备战斗机来加强战略空军司令部主导下的核影响同样也曾经是战术空军司令部保持预算来源的一个方法。
战术空军司令部星战斗机的发展由洛克希德公司大幅赞助，希望能够带来更大的订单，这一共花费了18个月的时间。它安装了一台提升了推重比的J79-GE-7A发动机，涡轮叶片的直径增加了2英寸，最大加力时的推力为15800磅。吹气襟翼一开始就被安装上去了，一个从外部延伸出来的空中加油管增加了飞机的航程，这个外部加油管曾在1958年9月于台湾部署期间的约拿能力(Jonah Able)行动中进行了测试。加油管的位置便利地被放在了飞行员左侧的视野范围内，使得与KC-97加油机上摇摆不定的加油锥套(加油篮)连接的过程只有区区5分钟。就像前F-104C飞行员诺姆.菲勒(Norm Filer)解释道的：
“这个加油管就是一根一头带嘴的管子，在另一方面用于取代油箱盖。加油灯在加油管底部的一个整流罩里，这个整流罩包括了从加油灯一直向后延伸的一个简单却又有些单薄的加油管，这个玻璃钢部分用100万个螺丝固定在机身上。”
对于它的战术角色来说，F-104C能够挂载2000磅的弹药，比如在短小的机身中线挂架上挂载一枚Mk28或者Mk43核弹。2个950加仑副油箱或者2枚750磅的M117炸弹或者1000磅炸弹(F-104G)可以挂在2个主翼下，其它能够使用的战术武器还有BLU-1凝固汽油弹和LAU-3火箭发射巢。M61航炮被重新装上去了，而且从1961年10月起，被称之为磨刀石的武器升级项目给飞机的机身下安装了一个“双体船”式的响尾蛇导弹双联发射导轨，这样就使得翼尖能够挂载副油箱。美国空军没有使用这种导轨，因为它增加了阻力，而且还不能被扔掉。
一台升级过后的AN/ASG-14T-2火控系统改善了夜间目标瞄准能力，但是像当时战术空军司令部里的其它飞机一样，F-104C只能使用视距内的武器。然而，火控系统的“开关技术”操作起来仍旧非常简单，和F-105D雷公以及F-4C鬼怪II上的系统比较起来尤为如此，能够让飞行员把注意力集中在驾驶飞机以及与敌人保持接触上。为了应对这些额外增加的重量(最大23590磅)，飞机上需要安装36块新的金属锻件。