За долгий период эксплуатации самолета F-104G появился не менее долгий ряд предложений по его доработке. Более 25 из них не дошло воплощения в жизнь. Среди них модификация категории V/STOL, оснащенная двигателем Rolls-Royce Spey и самолет нового поколения с обозначением CL-1200 Lancer ("Х-27" в материалах "USAF"). К началу 1990-х годов "Старфайтеры" оставались на вооружении в Греции, Турции, на Тайване и в Италии. В этом ряду лишь Италия является страной с развитой авиапромышленностью. Лишь немецко-итальянский проект 1966 г., F-104S ("S" как "Spey" и "Sparrow") был доведен до серийного производства как всепогодный истребитель. Работы проводились параллельно двумя фирмами "Lockheed" и "Aeritalia" с обозначением программы CL-901, но производством занималась только Италия. Фирма Локхид в декабре 1966 г. облетала первый образец новой версии, которая с 1969 года производилась серийно в Торино до марта 1979 года, всего было построено 206 машин для итальянских ВВС "AMI" и 40 шт для Турции.

Серийный F-104S имел ряд доработок. Например, новый многорежимный радиолокатор R21G/H позволяющий наводить УР AIM-7E Sparrow а в последствии итальянские УР "Selenia Aspide 1A". F-104S, называемый также "Супер Старфайтер", создавался как "чистый" перехватчик, способный нести, помимо AIM-7E "Спэрроу" еще два "Сайдуиндера". Пушка "Вулкан" на самолете не устанавливалась. Самым отличительным признаком по внешнему виду является размещение по обе стороны основного нижнего киля двух дополнительных малых килей. Министерство обороны США сделало все возможное, чтобы на самолете F-104S был установлен усовершенствованный РД "J79-19", вместе ранее запланированного британского РД "RR" Спей. На некоторых машинах итальянских ВВС с 1982 г. производился ряд доработок в рамках программы ASA (Aggiornamento Sistema d Arma), которая должна была обеспечить более усовершенствованные возможности электронной борьбы, более точные удары по наземным целям при атаках с низких высот в любых погодных метеоусловиях а в дальнейшем улучшение способности преследовать воздушные цели на фоне земли.

Серийное производство F-104S было развернуто на заводе в Турине в 1968 году. До окончания выпуска в 1978 году построено 205 экземпляров машины для итальянских ВВС и еще 40 - для Турции.

Модификация	F-104S
Размах крыла (без концевых баков), м	6,68
Длина самолета, м	16,69
Высота самолета, м	4,11
Площадь крыла, м2	18,22
Масса, кг
пустого самолета	6760
максимальная взлетная	14060
Тип двигателя	1 ТРДФ General Electric J79-GE-19
Тяга, кН
нефорсированная	1 х 52.0
форсированная	1 х 79.62
Максимальная скорость, км/ч
на высоте	1473
на высоте	2124
Перегоночная дальность, км	2900
Практическая дальность, км	1520
Практический потолок, м	18300
Макс. эксплуатационная перегрузка	7,3
Экипаж, чел	1
Вооружение:	В варианте перехватчика - по 2 УР AIM-7 и AIM-9 В варианте истребителя-бомбардировщика, боевая нагрузка - 3402 кг на 9 узлах подвески