27 февраля успешно прошли рулежные испытания. На следующий день во время скоростных пробежек летчик-испытатель фирмы «Локхид» ЛеВиер (A. W. «Топу» LeVier) совершил пробный подлет на высоту около двух метров, который показал достаточную управляемость, и самолет начали готовить к первому официальному полету.
4 марта ЛеВиер поднял машину в воздух. Шасси решили не убирать. Полет продлился около 20 минут. Во втором полете, который состоялся в тот же день, ЛеВиер попытался убрать шасси, но сделать это не удалось. В ходе осмотра машины после посадки выяснилось, что отказ связан с низким давлением в гидросистеме. Неисправность устранили, последующий полет пришлось отложить по погодным условиям.
26 марта погода улучшилась, и XF-104 опять поднялся в воздух. Следующие два полета прошли успешно, и испытатели приступили к проверке летных качеств самолета. Она показала, что машина не устойчива по рысканию, кроме того, ЛеВиеру было очень сложно найти педалями нейтраль. Эти две проблемы устранили регулировкой демпфера рыскания и заменой механизма триммирования руля направления. После доработок испытательные полеты продолжились, и в одном из них ЛеВиеру удалось даже превысить скорость звука на пикировании.
В июле «Локхид» получила двигатель J65-W-7 с форсажной камерой, развивавший тягу до 4600 кгс. Его немедленно установили на самолет и расширили скоростной диапазон летных испытаний до 1,4-1,6М. Выходить на большие скорости не позволял нерегулируемый воздухозаборник.
С постройкой второго опытного XF-104 (N9 53-7787, борт FG-787) не спешили. Все выявляемые недостатки первого экземпляра старались устранить на этой машине. Кроме того, на нее установили полный комплект бортового оборудования, включая систему управления оружием и встроенную 20-мм шестиствольную пушку М61 Vulcan (новое обозначение пушки Т-171). По своим характеристикам она была эквивалентна пяти 20-мм пушкам М-24.
Первый полет второго опытного XF-104 состоялся 5 октября 1954 г. Поначалу испытания шли гладко, но, когда приступили к стрельбе из пушки, проблемы посыпались, как из рога изобилия. Огромная сила отдачи и вибрации при стрельбе приводили к частым отказам самой пушки и авиационного оборудования, а 17 декабря очередные стрельбы закончились серьезной аварией. После нескольких очередей ЛеВиер почувствовал сильный удар по левому борту, и пушка прекратила стрельбу. С самолета сопровождения доложили, что из лючка пушечного отсека течет топливо. Попадание его в воздухозаборник грозило пожаром и взрывом, поэтому ЛеВиер решил остановить двигатель и немедленно идти на посадку. До аэродрома было около 70 км. Заложив крутой вираж, пилот развернул самолет и выпустил шасси. Высота стремительно падала, вместе с ней уменьшались и шансы на спасение, ведь катапультирование производилось вниз. Риск был огромным, но посадка на дно сухого озера Роджерс, которое использовалось на базе Эдвардс в качестве аэродрома, прошла успешно.
