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其机翼设计尤为特殊。为了抑制飞机在俯仰轴和航向轴产生耦合动作（即荷兰滚）的趋势，机翼采用了高达 10 度的下反角。机翼平面形状为小后掠角的平直翼系列。翼展极小，仅有 6.68 米！以至于试飞员第一次见到 XF-104 时竟然问到：“机翼在哪儿？”翼根和翼尖的相对厚度均只有 3.36％。由于机翼弦长小，翼根绝对厚度也很小，只有 0.105 米！机翼前缘半径更是小到令人瞠目的地步——只有 0.41 毫米！有人开玩笑说，这已经可以拿去切牛排了。这样特殊的机翼根本无法以常规方法制造，而且常规结构也无法保证其强度，所以 F-104 的机翼实际上就是用实心钢板铣出来的。为了减阻，其机翼面积也相当小，仅有 18.22 平方米。
为了降低起降速度，F-104 还采用了附面层控制技术（也就是现在的“吹气襟翼”），从而成为世界上第一架采用这种技术的战斗机。常规襟翼放下后，在其上表面会产生紊流，从而导致襟翼效率下降。F-104 则从发动机第 17 级压气机处引气至襟翼、机翼结合部，当襟翼放下至 15 度时，引气系统开始工作，当襟翼达到 45 度最大偏度时，引气系统也处于全开状态。高压气流从襟翼铰链线处的狭缝沿襟翼上表面喷出，给当地附面层补充能量，减小了由于附面层分离而导致的紊流，从而提高了襟翼效率，F-104 的失速速度因此减小了 15 节！全展向前缘襟翼和后缘襟翼联动，用于飞机起降和低速机动。副翼比较特别，只能单向偏转，并且受后缘襟翼影响，当后缘襟翼处于全放下位置时，副翼只能达到最大偏角的 65％。
