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, первый самолет F-104S получил РЛС NAA Autonetics R-21G/F15 NASARR фирмы FIAR, обеспечивавшую данными для запуска и наведения полуактивных УР "воздух—воздух" AIM-7 Sparrow. При модернизации по программе F-104S-ASA эту РЛС заменили на R-21G/M1 Setter. 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 "Sparrow" еще два AIM-9 "Sidewinder". 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.

По официальным данным, в летных происшествиях с января 1964-го по 31 марта 1976 года были потеряны 73 итальянских Starfighter: 49 F/RF-104G, 21 F-104S и три TF-104G. К июлю 1980 года это количество возросло, по крайней мере, до 106, а к началу 1992 года — до 138, то есть до 37,5% из 368 самолетов, поставленных итальянскими ВВС. В ходе эксплуатации F-104S дважды модифицировались (в версии ASA и ASA-M). Официально их списали 31 октября 2004 года, заменив на EF 2000.