阿里山计划
1958年第二次台海危機白熱化之際，美軍為表示捍衛中華民國的決心，在1958年9月自加州本土緊急增派協防臺灣，這是F-104型戰鬥機與中華民國首次的交集。
該中隊為首批操作F-104A攔截機的單位，而當時中華民國空軍對F-104的了解不多，只知道該機極速達2.0馬赫，足足快出現役的F-86進倍；823砲戰結束之後，情報顯示中国人民解放军空军已逐步換裝俄製米格-19戰鬥機，为维持中華民國空軍在台灣海峽的制空权，中華民國國軍方面向美軍顧問團申請更多F-100超級軍刀戰鬥機軍援，F-104並非國軍方面要求的增援機種。不過美國在允諾增援更多的F-100戰機同時，且主動要求提供國軍換裝F-104，這個消息大出國軍意外，也因此在中華民國國防部內出現了意外的反對聲浪。
美軍軍援並非空白支票可以無限額度運用，每年會有計劃額度，超越額度後便須由軍援國自行吸收經費。在當時，換裝一支F-104中隊需要的經費，與換裝三個人數破萬的中華民國陸軍野戰重裝步兵師相等，在經費拮据戰略仍需反攻大陸的時代，分配資源的比重不只考慮實質戰術要求，也涉及政治智慧的配重；但時任中華民國國防部部長俞大維博士認為陸軍野戰步兵師再多對空防也沒有助益，因此決定先換裝一個中隊的F-104，使中華民國空軍正式邁入倍音速時代，換裝代稱就是所謂「阿里山計劃」，後續接收F-104仍以相同代稱延續。计有十一号阿里山计划，共接收约247架各型F-104型戰鬥機。
飞机駐地選定位於台中的公館基地（美軍擴建後的清泉崗空軍基地）。民國49年（1960年）5月17日，首批飞机抵达清泉崗基地，5月26日，举行交机典礼。5月28日，空軍正式換裝美國軍援的首批22架F-104A型單座戰鬥機及5架F-104B型雙座戰鬥機（首架編號4101的F-104B於1960年7月20日失事墜毀，編號4102的F-104B於1961年5月5日失事墜毀，編號4104的F-104B於1962年3月3日失事墜毀）。
F-104型戰鬥機在飛行速度於馬赫0.9、1.4、1.7及2.0時，剩餘推力最大；最能發揮該型機的優勢，攔截進犯台灣北部政經中樞的敵機。當時決定由空軍第三大隊第8中隊為第一個換裝F-104的中隊，飛行員由各戰鬥機部隊遴選。換裝F-104的飛行員不只要合乎空勤標準，甚至外貌都列為遴選條件之一，經過兩個多月擇優選出22位空軍官校22期至39期、在當時正處於巔峰狀態，且全員都參加過台海戰爭的飛行員，有些甚至還在民國47年(1958年)甫告一段落的台海危機中擊落過MiG-17。
首批軍援中華民國空軍的2架編號4101及4102的F-104B型雙座戰鬥機，在民國49年(1960年)5月17日由美軍道格拉斯C-124運輸機自琉球空運抵台，第8中隊位於台中公館基地西區，於是便將西區劃為F-104專用廠區，除第8中隊的空地勤人員外，任何閒雜人等一律不准進入。而當時F-104的裝配廠，俗稱阿里山廠，也就是現在漢翔位於清泉崗基地的沙鹿廠區。首批F-104A型單座機編號為4201至4222共計22架，首批F-104B型雙座機編號為4101至4105共計5架；民國55年（1966年）7月底阿里山一號的F-104A/B封存運交美國，移轉給)及巴基斯坦空軍。空軍在民國56年（1967年）實施阿里山五號計劃，第8中隊換裝美軍全新的F-104G及RF-104G替換阿里山一號計劃的F-104A/B。
民國52年（1963年）7月16日，空軍實施阿里山二號計劃，首次接收F-104G。美國依海外軍事援助計劃（Military Associate Program，MAP）軍援一批55架F-104G給中華民國空軍，前20架由洛克希德原廠製造，其餘35架則由加拿大飛機公司（Canada-ir）生產。接收此批戰機的單位為空軍第三大隊第7中隊。
民國52年(1963年))8月12日，空軍進行阿里山三號計劃，由空軍第六大隊第12中隊換裝8架RF-104G戰術偵察機，替換該大隊配備的RF-84F戰術偵察機。同年12月接收2架TF-104G雙座戰鬥教練機。
第12中隊新換裝的8架RF-104G編號分別為5626、5628、5630、5632、5634、5636、5638、5640，特點是編號均採偶數號，理由為歷年損失的偵察機編號多為奇數號，為使飛行員安心，在寧可信其有不可信其無的心態下，編號也就從善如流避開奇數號。
民國53年（1964年）5月1日，中華民國空軍實施阿里山四號計劃，由第三大隊第28中隊接收23架F-104G、1架TF-104G；替換原先操作的F-86F，第三大隊成為空軍首支全大隊均操作F-104的飛行大隊。
由於美軍強化對第三世界國家的軍援政策，東南亞國家的援助，美軍收回阿里山一號的F-104A/B讓渡給約旦及巴基斯坦。 為此中華民國空軍在民國56年（1967年）5月11日實施阿里山五號計劃，原本採用A/B型機8中隊從美方獲得全新的F-104G；這批飛機總共有11架G型機與2架RF-104，參與113空戰的F-104G也多為此批戰機；換裝單位為阿里山1號時取得F-104A的三大隊8中隊。
1970年6月，空軍向美國爭取F-4戰機未果，但得到美國提供兩個中隊的F-100A與一個中隊的F-104A/B。同年12月1日換裝，此為阿里山六號計劃，共接收了25架F-104A/B、F-104A編號由4241至4262、F-104B由4121至4123。由十一大隊41中隊接受換裝。
雖然看似美國只提供了較早出廠的二手A型機，但較不為人知的是這批A型機在機體性能的突出之處；該批F-104A為F-104A-20-LO批次機體、1956年出廠，與1958年增援臺灣的第83攔截機中隊運用機型相同，但這批飛機在美國空軍操作時是由1969年12月解散的運用，單位解散後轉移給中華民國空軍；在1967年底，319中隊的26架戰機為協助開發，故改裝上S型機使用的J79-GE-19型發動機（後燃推力17,900磅），推力數值甚至高於F-104G，又比阿里山一號的F-104A/B推力提升了1,900磅，加上比較輕為攔截任務設計的A型機身，使得這批F-104A推重比表現是F-104家族中最佳的一種子型號。這批F-104A與阿里山一號外觀上的不同處在於發動機噴嘴，後期加裝了上下防撞燈、機首下方的太康天線及主輪蓋攔截器。
推力增強後的F-104A飛行表現，據服役過的飛官回憶加速性極佳、飛行操作性也相當優秀，因此飛過的飛行員個個讚不絕口；由0.9馬赫加速至2.0馬赫只需2分多，1.4馬赫還可以帶桿轉彎，+2G的動作下，後燃器全開飛行速度仍可到達馬赫2.0。當戰機无外挂、機內燃油3000磅、推重比接近1時，加速度更快。
因雙座機的嚴重短缺，空軍遂於1976年5月13日實施阿里山七號計劃，購置美軍除役的F-104D共七架，由三大隊接收。機號4161至4166，其中一架做為拆零機，至1988年除役。
1980年代初期，美國雷根政府與中共簽訂817公報後，空軍向美國提出購置 XF 戰機（主要是 F-16/79、及 F-20）便受到強大政治阻礙而未能通過。但仍得到美國政府同意，將西德聯邦國防軍空軍於美國路克空軍基地（LUKE AFB）的一批66架TF/F-104G售予中華民國。這批戰機共有29架F-104G、37架TF-104G 、分為23架及43架兩批運交。計劃中尚包括26具J79發動機、17具後燃器。
這批飛機中，TF-104G由當時仍運用F-104的三、六、十一大隊下轄之5個戰術/偵照中隊均分；F-104G則由十一大隊的42、48中隊換裝，十一大隊成為第二支全大隊運用F-104的單位，在阿里山八號完成之際，中華民國F-104機隊進入服役高峰期，當時有兩支大隊、一支偵照中隊共7支中隊運用F-104。
在本次計畫執行中，空軍也趁機升級了RF-104G的偵照性能，採購代號「始安計畫」，總價為5億新台幣（1983年幣值），從1984年服役運作至1998年F-104全數除役。空軍挑選了4架F-104G（4398、4400、4365、4392），作為新型戰術偵照設備的載臺。新型偵照相機為李頓PC-201長距斜角掃描式相機(Long Range Oblique Photography , LOROP)，因代號緣故又稱「始安相機」，由於價格高昂僅購入2部。PC-201 LOROP之焦距長72英吋，無法塞入F-104的前機身，李頓為此設計了特制長機鼻以容納相機硬體。始安相機的最長偵照距離為72公里，由於特製機鼻導致RF-104重量變化，所有的操作速度都要增加10節，且相機啟動運作時只能容許飛機在10度以內的坡度緩慢轉彎。
1983年7月20日，由十一大隊41中隊實施阿里山八號F-104G戰機戰備訓練計劃，換裝TF-104G。第一架組裝完成的是4186號機。1984年1月1日，42中隊換裝F-104G，同年9月5日48中隊換裝F-104G，這批戰機也是最後除役的一批，共服役十五年。
為了維持日趨老舊的F-104機群及補充因損失而減少的數量，空軍決定向美方再增購一批F-104戰機，而美國便將號稱在亞利桑那州沙漠儲存場封存，由日本製造，並在日本航空自衛隊服役的F-104J/DJ轉售中華民國。日本製造的星式機會封存在美國是因為這批戰機購置時為美國以海外有償軍援的方式出資協助日本自製，產權上屬於日美共有，有必要也可逃避武器輸出三原則規範轉讓，因此航空自衛隊在1986年將星式機完全除役後挑選了狀況較好的飛機歸還美國，美國則利用規範漏洞轉讓給中華民國，實際上這批飛機可能根本連封存廠都沒進去過。
中華民國空軍於1987年7月6日實施阿里山九號計劃購置30架F-104J與5架F-104DJ，但只組裝21架F-104J 及5架F-104DJ，其餘充做拆零機。F-104J機號由4501至4521、F-104DJ則由4591至4595，其中4520於飛交CCK時墜毀在半途中，於是再組裝一架4522出來。本批戰機由阿里山2號接裝的三大隊7中隊使用，而該中隊的G型機則遭汰換。
J型機與 G 型機的不同主要受到日本國情限制，J型在製造時便取消了M-2轟炸計算機，火控雷達也是比較陽春的NASARR F15J，雖然服役時有配備2.75吋火箭，但嚴格來講並不具有對地攻擊能力。但因為取消了相關機能，飛機整體重量略輕，飛行性能也略勝G型機一籌。反映在外觀上的差距為主輪較G/S型窄，起落架艙蓋並無像G/S型一樣隆起一塊方形。
雖然日本挑選了飛行時數較低且較新的飛機轉讓。但是終究是日本授權生產的特規機，許多零件即使和G型看似共通，但實際混合運用時仍會出問題，也因此發生墜機意外；發生事故後J型在後勤保修上的困難日趨嚴重，因此加速了J型機的除役進度，使得這批戰機在空軍內服役不到5年就於1991年3月1日除役。
最廣為人知的零件相容性問題是發生在1993年3月4日，一架編號5664的RF-104G偵察機發動機，其中的J79-IHI-11B發動機高壓段（後級）與J79-GE-11B低壓段（前級）相接造成的失事意外，飛行員在跳傘三天後才獲救。
空軍在1984年6-8月連摔三架F-100超級軍刀機之後，決定汰除48中隊的F-100機群，為補充11大隊戰機的不足，於是再向美國購置了一批F-104G。這批F-104G為美國依海外軍援計劃軍援丹麥的戰機，除役之後歸還美國轉售台灣。
空軍在1988年1月15日實施阿里山十號計劃，共購置18架，分別為F104G 4411~4425及TF-104G 4151~4153 。這批F-104G為加拿大飛機公司（Canadair）生產、與阿里山二號部分F-104G是同一個生產批號，二十餘年後這些戰機竟又在台灣相逢。但和阿里山八號的F-104G在外形及內部結構都有些許不同，而這批F-104G準備運交台灣時，美方先行予以整修將F-104G的輕翼結構改為與TF-104G相同的重翼結構，以增加其強度及使用壽命。
因洛克希德公司宣佈停止供應F-104零組件，空軍最後透過美國國防部於前後購入16架F-104G與8架TF-104G。這批原為比利時空軍的F-104戰機並未成軍服役，全數充作拆零機使用。