A 型相比，F-104C 的主要改进包括：换装 J79-GE-7 发动机，军用推力 4,536 公斤， 加力推力 7,167
公斤，由于空气流量增大，发动机最大直径增大约 0.08 米；机身左侧加装固定式受油管（可快速拆装），从而具备空中加油能力；机腹挂点加强，可以挂载重达 907
公斤的武器，如 MK12 核炸弹和美国空军其它战术核武器（这是 F-104C 改进设计的主要目的——对目标进行战术核打击），如果不挂武器，还可以挂一个 852
升副油箱；火控系统采用 AN/ASG-14T-2 ，和后期型 F-104A 相同——这使得 F-104C
具有在夜间简单气象条件下作战的能力，但尚未达到全天候作战的水平；序号 56-938 以前的 C
型机采用扰动光环瞄准具，之后则去掉了光环测距装置，改有雷达测距，因而瞄准具光环大小不再改变；弹射方式重新采用向上弹射，采用洛克希德自行研制的 C-2
型火箭弹射座椅。原来的 M61A1 航炮和翼尖“响尾蛇”导弹挂载能力仍然保留。不过，由于 M61A1 可靠性不佳，F-104C 并未真正安装该航炮，直至
1964 年军方确认航炮可靠性问题已经得到解决为止。
机身左侧的固定式受油管是
F-104C 和 A 型在外观上最大的差别。60914 的序列号表明这架飞机已经采用了雷达测距，因此取消了扰动光环瞄准具
1958 年 9 月，F-104C 开始交付战术空军司令部。该机只装备了驻乔治空军基地的第 479
战术战斗机联队所属 4 个中队（434 、435 、436 、476）。该机主要担负核打击任务，但也可以执行常规对地攻击任务。