За долгий период эксплуатации самолета F-104G появился не менее долгий ряд предложений по его доработке. Лишь немецко-итальянский проект 1966 года, F-104S (Sparrow) был доведен до серийного производства как всепогодный истребитель. Фирма Локхид в декабре 1966 года облетала первый образец новой версии, которая с 1969 года производилась серийно в Италии до марта 1979 года.

Самолет F-104S, называемый также Super Starfighter, создавался как чистый перехватчик, способный нести, помимо AIM-7E Sparrow еще два AIM-9 Sidewinder. Пушка Vulcan на самолете не устанавливалась. Самым заметным внешним отличительным признаком этого варианта 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 американский двигатель General Electric J79-19, вместе ранее запланированного британского Rolls Royce Spey.

На некоторых машинах итальянских ВВС с 1982 года производился ряд доработок в рамках программы ASA, 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.