Da una serie di modifiche rispetto al progetto originale, nacque il modello F-104G, che vinse il concorso NATO per un nuovo cacciabombardiere. Vennero anche prodotte diverse versioni biposto da addestramento, la più numerosa delle quali è stata la TF-104G. Nel complesso vennero realizzati 2578 Starfighter, per lo più da aziende aeronautiche di paesi membri della NATO. L'F-104 andò in dotazione alle forze aeree di oltre una dozzina di nazioni, concludendo il servizio operativo per l'appunto con la radiazione da parte dell'Aeronautica Militare italiana nel maggio 2004, circa 46 anni dopo la sua introduzione nel 1958 da parte dell'USAF.
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