CF-104 в основном базировались в Европе. В 1964 г. на постоянной основе там находились 8 эскадрилий канадских «Старфайтеров» с комплектом ядерных бомб. После появления более совершенных носителей F-4 и F-111 число CF-104 в Европе начало постепенно снижаться. В 1970 г. осталось только 3 эскадрильи, а затем их и вовсе вывели в Канаду.
В ходе эксплуатации CF-104 проходил несколько модернизаций. Так, по итогам применения «Старфайтеров» во Вьетнаме на них установили канадский аналог американской системы предупреждения о радиолокационном облучении AN/APR-25 и станцию предупреждения о пуске ракет AN/APR-26. После того, как канадские CF-104 перестали рассматривать как носители ядерного оружия, на них вернули пушку и соответствующее оборудование.
В 1987 г. CF-104 начали постепенно заменять истребителями CF-18 Hornet. Снятые с вооружения «Старфайтеры» передавали Турции.
14 июня 1961 г. совершила первый полет канадская «спарка» CF-104D (первоначальное обозначение CF-113), созданная на базе TF-104G. Всего выпустили 38 таких машин двумя сериями. Вторая серия (16 самолетов) имела отличия в бортовом оборудовании и получила обозначение CF-104D Mk.ll. В 1971 г. семь самолетов переданы Дании, а в 1973 г. пару поставили Норвегии. После снятия с вооружения 6 самолетов продали Турции, предварительно модернизировав их в Германии.
Перехватчик для ВВС Сил самообороны Японии получил обозначение F-104J и впервые поднялся в воздух 30 июля 1961 г. В общей сложности было построено 210 экземпляров, 178 из которых произвела по лицензии фирма Mitsubishi. Кроме того, японцы из готовых частей собрали 20 учебно-боевых F-104DJ. Многие снятые с эксплуатации F-104J прошли переоборудование в беспилотные мишени UF-104J.
Этот F-104G летал в NASA до февраля 1994 г.
Испытания канадского CF-104 (№ 12705) с бомбовыми кассетами BL755
CF-104 ведет огонь неуправляемыми ракетами
Учебно-боевой самолет CF-104D из состава Королевских Воздушных сил Дании
Последний серийный
Последним и наиболее мощным вариантом «Старфайтера» стал F-104S. Литера «S» указывала на его способность применять ракеты «воздух-воздух» средней дальности AIM-7 Sparrow. «Локхид» создавала эту версию на базе F-104G в рамках конкурса на всепогодный перехватчик для ВВС Италии.
Самолет оснастили более мощным двигателем J79-GE-19 с тягой на форсаже 8126,6 кгс. Серьезной модификации подверглась прицельная система NASARR. Ее новый локатор обеспечивал подсветку целей, необходимую для работы головки самонаведения ракеты AIM-7. Общее количество узлов подвески вооружения увеличили до девяти. Два новых пилона под крылом предназначались для ракет AIM-7, аустановленные под воздухозаборниками — для AIM-9. Встроенную пушку сняли, а в ее отсеке разместили дополнительное радиоэлектронное оборудование. Устойчивость на больших сверхзвуковых скоростях улучшили за счет двух дополнительных гребней в хвостовой части самолета.
В 1965 г. обновленный «Старфайтер» был объявлен победителем среди таких «мэтров» истребительной авиации, как Mirage III, F-4 Phantom II и F-5. Первый F-104S взлетел в декабре 1966 г. В серийном производстве самолета принимало участие большинство фирм итальянского авиапрома. Первоначальный заказ составлял 165 самолетов, затем к нему прибавили еще 40 машин и 40 самолетов для ВВС Турции. Таким образом, общее число построенных F-104S составляет 245 экземпляров.
В 1979 г. серийное производство F-104S было прекращено, однако машина продолжала совершенствоваться. Первый этап модернизации прошел зимой 1984 г. Он коснулся элементной базы оборудования и вооружения. Благодаря переходу с транзисторов на интегральные микросхемы, объем оборудования уменьшился и появилась возможность вернуть на самолет пушку. Модификация получила обозначение F-104S/ASA (Aggiornamento Sistema dArma — обновление системы вооружения). В 1988 г. американские ракеты AIM-7 заменили на их улучшенный итальянский вариант Aspide 1.А.
После принятия на вооружение нового самолета «Торнадо» IDS итальянцы оставили F-104S только в частях ПВО. В 1996 г. началась очередная программа модернизации. На борт поставили систему спутниковой навигации, новую инерциальную и радионавигационную системы от штурмовика АМХ. Пушку опять убрали, на этот раз окончательно. В таком виде «Старфайтер» стали называть F-104S/ASA-M. Он оставался на вооружении в Италии до 2004 г., пока задачи по охране воздушного пространства не взял на себя истребитель Typhoon.
Канадский CF-104 с подвесным разведывательным контейнером «Винтен»
Обслуживание контейнера «Винтен»
Окончательная сборка самолетов F-104S на авиазаводе в Турине. 1970 г.
Экспериментальные самолеты и нереализованные проекты
Для экспорта в страны, которые хотели получить истребитель со скоростью 2М, но не могли позволить себе F-104G, «Локхид» разрабатывала упрощенный F-104H. Проект остался нереализованным.
Еще один экспортный вариант, названный CL-1200 Lancer, «Локхид» создала в конце 1960-х годов.
Он получил новые фюзеляж, воздухозаборники, стабилизатор, высокорасположенное крыло и более экономичный двухконтурный двигатель Pratt и Whitney TF-30-P100 с тягой 11340 кгс. Расчетная взлетная масса составляла 16000 кг, максимальная скорость — 2735 км/ч. Важным моментом было двукратное уменьшение взлетно-посадочной дистанции по сравнению с F-104G. По планам поставки могли начаться в 1974 г. Однако в соревновании за рынок победил F-5E, и проект CL-1200 закрыли.