Во время продувок в аэродинамической трубе обнаружилась проблема изгибно-крутильного флаттера тонкого крыла. Для выбора необходимых параметров жесткости крыла Джонсон решил провести серию натурных экспериментов. Идеальным вариантом была бы серия полетов с разными крыльями экспериментального Х-7, но это оказалось невозможно, потому что военные активно использовали самолет в программе разработки беспилотного перехватчика Bomarc. Тогда Джонсон придумал другой оригинальный и дешевый способ. Он распорядился изготовить несколько масштабных моделей XF-104 с разными конфигурациями аэродинамических поверхностей, а для их запуска использовать авиационные 127-мм неуправляемые ракеты HVAR. Но частным компаниям боевые ракеты не продавали.
Тогда Джонсон обратился за помощью к командованию ВВС, и военные передали «Локхид» 400 ракет, предназначенных для отправки на войну в Корею. Решение было не однозначным, и в ответ на критику один из генералов сказал: «Ничего не случится, если одно утро наши летчики не постреляют ракетами».
Модели оснащались датчиками, а их поведение в полете фиксировалось кинокамерами, установленными в головной части ракет. Пуски позволили с высокой степенью достоверности исследовать практически весь спектр нагрузок в различных полетных режимах. В конечном итоге, флаттер был побежден. Большую роль в борьбе с этим явлением играли концевые топливные баки, масса и форма которых препятствовала развитию колебаний крыла. Именно поэтому на боевых F-104 наличие баков или ракет на концах крыла во время полетов стало почти обязательным условием.
Конструкторы решили применить Т-образное хвостовое оперение. В этом случае стабилизатор работал как концевая шайба, что позволило уменьшить площадь киля.
Все оборудование и топливные баки размещались в фюзеляже. В носовой части установили РЛС, далее находилась кабина летчика, за ней — отсек с оборудованием. Все свободное пространство фюзеляжа занимали топливные баки и встроенное пушечное вооружение. Внутренний запас топлива составлял около 2720 л. В подвесных баках находилось еще 1280 л. При этом расчетная дальность полета доходила до 1800 км.
Самолет рассчитывался под двигатель General Electric J79, который разрабатывался для сверхзвукового бомбардировщика В-58. Он должен был развивать тягу на форсаже около 6800 кгс, но готовых экземпляров такого ТРД еще не было, и в качестве временной меры конструкторы решили использовать менее мощный Wright J65 — лицензионную копию английского Armstrong Siddeley Saphire. С таким двигателем XF-104 не мог достигнуть сверхзвуковой скорости, но для проведения первой фазы летных испытаний он вполне годился.
