Wszystkie konstrukcje uznano za interesujące, ale maszyna Lockheeda jako najlepsza wygrała konkurs i w marcu 1953 podpisano kontrakt na jej dalszy rozwój.
Prace nad nowym samolotem oznaczonym jako XF-104 przebiegały bardzo szybko i już w kwietniu przedstawiono makietę maszyny, rozpoczynając budowę dwóch prototypów w miesiąc później. Ze względu na niedostępność docelowych silników General Electric J79, oba prototypy napędzały zbudowane w fabryce Buick silniki Wright J65, będące amerykańską wersją brytyjskich . Początkowo były to Wright J65-B-3 bez dopalacza, wymienione w lipcu 1954 na nowocześniejsze jednostki Wright J65-W-7 już z dopalaczem o ciągu 34,7 kN i 45,8 kN z dopalaniem. Silniki te zapewniały tylko około 70% mocy docelowych J79. Pierwszy prototyp został ukończony na początku 1954 roku i oblatany w 4 marca.
Drugi prototyp XF-104 został oblatany 6 października tego samego roku i był on przeznaczony do testów systemów uzbrojenia. Początkowo planowano zainstalowanie dwulufowego działka kalibru 30 mm, ale ostatecznie decyzję zmieniono instalując nowe sześciolufowe działko General Electric TE-171-E3 kalibru 20 mm, późniejsze M61 Vulcan.