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.