在今天众多航迷眼里和“落后过时”画等号的三维超音速进气道设计，在当年却是高度机密。即使在今天，能够设计超音速进气道的国家仍然屈指可数。（注：本图中的飞机并非
YF-104 ，而是德国的 F-104G。）
17 架 YF-104A ，加上最初生产的 35 架 F-104A，总共有 52 架飞机参与试飞，并进行相关设备的评估，包括：J79
发动机的改进改型（J79-JE-3、J79-JE-3A 、J79-JE-3B），M61A1 航炮，AIM-9“响尾蛇”导弹，以及挂在翼尖的 170
加仑副油箱等。在试飞过程中，飞机结构进行了相应加强，并对局部设计加以改进。为了获得最好的效果，对不同类型的吹气襟翼进行了试验。尾部加装了腹鳍，以改善超音速时飞机的航向稳定性。
除了试飞外，YF-104A 还被用于创纪录飞行。1958 年 5 月 7 日， 霍华德·C·
约翰逊少校驾机在爱德华兹空军基地上空进行动力跃升飞行，最大飞行高度达到 27,813 米，创造了一项世界高度纪录。5 月 16 日，YF-104A
在沃尔特·W·埃汶上尉操纵下，在 15×25 公里闭合航线上创造了 2,259
公里/时的世界速度纪录。这是航空史上第一次，由同一种飞机同时摘取高度和速度纪录两项桂冠。
F-104A
1956 年 3 月 2 日，美国空军向洛克希德确认了多达 153 架 F-104A 的订单。这是生产型 F-104A 的首批订单。
和 YF-104A 相比，F-104 的主要改进包括：机体结构加强，以使得飞机最大可用过载达到 7.33G； 原来在 YF-104A
上属于试验性质的单腹鳍成为标准设计，用于改善飞机高速航向稳定性；原来属于过渡性质的 AN/ASG-14T-1 火控系统仍然保留（用于第 1 和第 5 批次），
但后来改进为 AN/ASG-14T-2 火控系统（第 10 批次以后采用），由于附面层控制系统效果显著，使得 F-104A
尽管重量增大不少，而着陆速度只比早期原型机增大
5％。机上还装有自动俯仰控制系统。当飞机接近失速时，系统会令操纵杆产生振动，警告飞行员。如果飞行员无视警告，继续保持原来的飞行状态，该系统会自动推杆，迫使飞机低头以免失速。
