Le Starfighter a établi les records officiels suivants :
Le F-104 était en service dans les forces aériennes des pays suivants :
Les 916 F-104 reçus par l'Allemagne (soit 749 R/F-104G, 137 TF-104G et 30 F-104F) formaient le principal appareil de combat de la Luftwaffe et de la composante aérienne de sa marine, le Marineflieger. Au pic de son utilisation, la Luftwaffe avait cinq escadres (ou Geschwader) d'attaque au sol, deux escadres d'interception et deux escadres de reconnaissance équipées de F-104. Deux escadres supplémentaires de la marine avaient des missions d'attaque anti-surface et de reconnaissance maritime.
Le Starfighter entra en service dans la Luftwaffe en juillet 1960, avec des livraisons continuant jusqu'au mois de mars 1973. Les derniers F-104 de la Luftwaffe quittèrent les unités de première ligne le 16 octobre 1987 tout en continuant d'être utilisés dans des unités de tests jusqu'au 22 mai 1991.
Les deux escadres sur RF-104G firent leur transition sur RF-4E Phantom au début des années 1970.
Le Marineflieger commencèrent à utiliser des missiles AS.30 dans le cadre de leurs missions anti-navires avant de les remplacer par des AS.34 Kormoran plus modernes.
Les Starfighter allemands avaient un taux de perte alarmant qui lui donna son surnom de « Faiseur de veuves » ou « Fallfighter » (cercueil volant). 292 des 916 F-104 allemands s'écrasèrent, occasionnant la mort de 116 pilotes. 1/3 des accidents de cet appareil monomoteur ont été imputés à l'arrêt du moteur en cours de vol, ce qui par la suite, a induit la Luftwaffe à ne sélectionner pour le renouvellement de sa flotte que des biréacteurs.
La Belgique utilisa 101 F-104G construits sous licence par SABCA et 12 TF-104G biplaces construits par Lockheed, un F-104G s'étant écrasé avant sa livraison. Le Starfighter servit avec la Force aérienne belge pendant un peu plus de vingt ans, entre le 14 février 1963 et le 19 septembre 1983, avant d'être remplacés par des F-16. 23 survivants furent vendus à Taïwan et 18 à la Turquie. 38 F-104G et 3 TF-104G furent perdus dans des accidents.
La RCAF, unifiée en 1968 avec les trois autres armes dans les Forces canadiennes, utilisa entre 1962 et 1986 un total de 200 CF-104 de construction canadienne et 38 biplaces CF-104D construits par Lockheed. Près de 110 appareils s'écrasèrent en Europe, son usage intensif, surtout dans des missions d'attaque et de reconnaissance à très basse altitude ainsi que les mauvaises conditions météo furent la cause de près de 50% des pertes. Les appareils canadiens avaient une moyenne de 6 000 heures de vol au compteur à leur retrait soit le triple des Starfighter allemands. Des CF-104 en surplus furent transférés au Danemark, à la Norvège et à la Turquie.
Le Danemark reçu initialement 25 F-104G construits sous licence par Canadair et 4 TF-104G de Lockheed dans le cadre du programme d'assistance MAP. Des avions canadiens en surplus furent transférés plus tard entre 1972 et 1974 (15 CF-104 et 7 CF-104D). 51 Starfighter en tout ont donc été utilisés par la Force aérienne du Danemark avant leur retrait du service en 1986. 15 F-104G et 3 TF-104G furent transférés vers Taïwan en 1987.
La Force aérienne espagnole a également reçu des F-104 dans le cadre du programme Military Assistance Program : 18 F-104G construits par Canadair et 3 TF-104G construits par Lockheed furent livrés à l'Ejercito del Aire en 1965 . Lors de leur remplacement par des F-4C Phantom II en 1972, ces Starfighter ont été transférés à la Grèce et à la Turquie. Il est utile de noter qu'aucun Starfighter espagnol ne fut perdu malgré plus de 17 000 heures de vol. Il est vrai que l'Espagne n'utilisa le Starfighter que dans son rôle initial d'intercepteur et sous un climat la plupart du temps excellent.
La Grèce a reçu 45 F-104G et 6 TF-104G de première main dans le cadre des accords MAP. Cette livraison initiale fut complétée plus tard par de nombreux F-104 de seconde main d'autres pays de l'OTAN, dont 79 de l'Allemagne, 7 des Pays-Bas et 9 d'Espagne. Entrés en service en Grèce en avril 1964, les derniers Starfighter grecs quittèrent le service actif en mars 1993, après avoir équipé deux escadres.
Le F-104 a été un élément clé de l'Aeronautica militare (Force aérienne italienne) depuis le début des années 1960 jusqu'à la fin du XXe siècle. MM6501, le premier F-104G italien fut construit par Lockheed, le premier Starfighter construit par Fiat/Aeritalia volant deux ans plus tard, le 5 octobre 1962. L'Italie reçu une livraison initiale de 105 F-104G, 24 TF-104G et 20 RF-104G, opérationnels en mars 1963. 205 F-104S et 6 TF-104G ayant appartenu à la Luftwaffe complétèrent ultérieurement cette flotte, amenant le total à 360 Starfighters. En 1986, l'Aeronautica militare (AMI) était le plus gros utilisateur de F-104 avec onze unités opérationnelles. Jusqu'en 1997, l'AMI perd 137 de ses F-104 (soit 38% du total) en 928 000 heures de vols (soit 14,7 appareils pour 100 000 heures). Le F-104 fut officiellement retiré du service en 2004 lors d'une cérémonie à Pratica de Mare.
Les Forces aériennes japonaises d'autodéfense (JASDF) ont utilisé 210 chasseurs F-104J spécialisés dans la supériorité aérienne et 20 biplaces d'entrainement F-104DJ. Surnommés « Eiko » (« Gloire »), seuls 36 appareils ont été perdus pendant les 24 ans de service au Japon (d'octobre 1962 à 1986). Les F-104 japonais ont souvent eu à faire face aux provocations des bombardiers soviétiques qui volaient à la limite des eaux territoriales japonaises. La plupart des F-104 japonais ont terminé leurs carrières en tant que drone cibles.
La Jordanie a reçu en 1967 29 F-104A et 4 F-104B dans le cadre du programme d'assistance MAP. Contrôlés par les USA, ces appareils ont été temporairement déplacés en Turquie pendant la Guerre des Six Jours. Remplacés par des F-5 et des Mirage F1 à partir de 1983, les appareils survivants servent de leurres sur les bases aériennes.
La Norvège a reçu en 1974 18 CF-104 et 4 CF-104D en surplus du Canada en plus des 19 F-104G construits par Canadair et des 4 TF-104G reçus dès 1963 dans le cadre du programme MAP. Le dernier F-104 norvégien est retiré du service durant l'hiver de 1982.
Les forces aériennes des Pays-Bas (Koninklijke Luchtmacht ou KLu) ont utilisé 138 Starfighters construits en Europe. De nombreux F-104 néerlandais ont été transférés à la Turquie après leur retrait de la KLu.
Le Pakistan reçut 12 F-104A et 2 F-104B dans le cadre du programme d'aide américain. Entrés en service en 1961, ils continuèrent à voler jusqu'en 1972. Les Starfighters pakistanais connurent le combat lors des Guerres indo-pakistanaises de 1965 et 1971.
La Force aérienne de Taiwan (ou Republic of China Air Force, RoCAF) utilisa un total de 282 Starfighter financés par le programme MAP. Cette flotte incluait des F-104A, F-104B, F-104D, F-104G, F-104J, F-104DJ, RF-104G et TF-104G neufs ou de seconde main. Les derniers Starfighter taiwanais furent retirés du service en 1997.
La Turquie a reçu dans le cadre du programme d'assistance MAP 48 nouveaux F-104G et 6 TF-104G de Lockheed et Canadair livrés à partir de 1963 et acheta directement 40 F-104S à Fiat en 1974-1975. Comme la Grèce, la Turquie reçut également dans le courant des années 1970 et 1980 un grand nombre de Starfighter en surplus d'autres nations de l'OTAN, dont 170 appareils allemands, 53 néerlandais et 52 canadiens. La Turquie reçut au total plus de 400 Starfighter, beaucoup d'entre eux ayant été simplement utilisés comme réserve de pièces détachées. Le F-104 fut retiré du service actif de la Force aérienne turque en 1995.
Onze F-104 de différentes versions ont été utilisés par la NASA entre 1956 et 1994. Ils furent utilisés comme support aux essais en vol des programmes X-15 et XB-70 ainsi que pour l'entraînement des astronautes pendant les différents programmes spatiaux. Les Starfighter de la NASA furent également utilisés pour la collection de données sur le comportement en vol des appareils. Les tuiles de protection thermique de la navette spatiale ont été testées sur un Starfighter monté sur un pylone pour des essais de vol à travers la pluie. Neil Armstrong fut notamment l'un des pilotes à avoir piloté un F-104 de la NASA.