国鉄キハ20系気動車
開発の経緯
本系列が開発された1950年代中期の時点では、国鉄では普通列車用気動車としてキハ10系（当時はキハ45000形一族、その後の通称はキハ17系）が製造されていたが、これらは当時の一般的な20m級客車と比較して車体断面が小さいために居住性が犠牲となっており、乗り心地の点でも問題があった。
これは、当時国鉄で気動車用として利用可能であった最大のディーゼル機関であるDMH17形の出力では、通常車体断面の20m級車体とした場合、重量過大に伴う出力不足で十分な走行性能が得られなかったがゆえの苦肉の策であり、そればかりか当時の車体設計手法では小車体断面化だけでは出力不足を補いきれず、客室内の各座席の座り心地を犠牲にした軽量化、あるいは乗り心地が悪いことを承知の上での軽量設計台車の採用など、ありとあらゆる手段を講じてようやく実用性能が得られている状況であった。
しかし、1955年のナハ10形軽量客車の完成で状況は一変する。スイス国鉄流の準モノコック構造車体と、プレス鋼板による溶接組立台車の導入により、十分な強度を維持したまま、従来比3/4程度の大幅な軽量化が可能となり、これにより、非力な既存エンジンのままでも大型車体を備える気動車の製造に目処が立った。
こうして、10系客車の設計ノウハウを有効活用する形で、翌1956年に大断面車体を備える20m級気動車の第1陣として、準急形気動車であるキハ55形（当時はキハ44800形）が製造され、ここに初めて電車・客車と同等の車体（車内設備）を備える気動車が実現した。
その後、キハ55形の成功を受ける形で、普通列車に用いる一般形気動車についても大型車体へ移行することが決定され、同形式に準じた設計で新たに開発されたのが本系列である。
初期形（バス窓車）
当初は、キハ10系と同様に機関としてDMH17B形ディーゼルエンジンを搭載し、防振ゴムブロックを枕バネに使用するDT19C（駆動台車）・TR49A（付随台車）ウィングバネ式台車を装着した。
車体は先行するキハ55形の設計が踏襲され、柱や梁だけではなく側板なども強度を分担する準張殻構造となり、キハ10系より大型化され、客車並みの大断面となった。また、従来の反省から、客ドア位置も車体中央寄りに配置され、ラッシュ時の客扱いに配慮している。座席も車体幅拡幅を受けて準急形に準じたゆとりのあるものとなった。客室内を通る排気管のキセはキハ55 1 - 46などと同様に大型のタイプである。暖房装置は燃焼式の温気暖房である。
客室窓はキハ10系のそれを踏襲して、上段がH断面ゴムによる構体直接固定、下段が上昇式の俗にいう「バス窓」である。しかし、キハ10系とは異なり、窓下のウィンドウシル（補強帯）は廃され、平滑な外観となった。
初期車竣工当初の車体塗色は、当時の気動車標準色である濃い青（青3号）+窓周りが黄褐色（黄かっ色2号）のツートーンであった。また当系列においては前面幕板部の塗色が前照灯部分に回り込むように塗装されていることが他系列には見られない特徴となっている。
形式別詳説
両数・番台区分は上記「形式一覧」を参照。
キハ20形
本系列の基本形式。暖地向けの両運転台、1基エンジン形で、4位側の乗務員室にやや食い込むかたちで便所を備える。1957年から1965年に409両が製造された。計画時にはキハ49000形と称したが、登場が1957年の称号規程改正後となったため、この形式番号を称したことはない。
298・299のように北海道に新製配置されたものや、多客期に渡道したものもあり、日本全国で用いられた。戦前形の機械式気動車キハ04形・キハ05形・キハ06形、キハ07形の取替時期に丁度当たっていたこともあり、大量に製造された。0番台は初期形のバス窓車、200番台以降は改良形の2段窓となった。最終期に製造された500番台では室内灯が蛍光灯に、暖房装置も温水式となり、台車もDT22C・TR51Bに変更されている。
ローカル線向けの簡易郵便荷物車として0番台を改造した600番台が2両、200番台を改造した650番台が1両存在した。これらは客室の一部分が郵便荷物室兼用となっており、その部分はロングシートとなっていて、仕切り用のアコーディオンカーテンが取り付けられていた。
キハユニ25形
寒冷地・極寒地向けの郵便荷物合造車で、7両が製造された。
1 - 6はキハ21形の仕様に基づいて製造された寒冷地向けで、室内配置は前位から運転室・荷物室・郵便室・客室となっている。客室窓は上段固定の「バス窓」で、客用扉はキハ25形の後位扉と同位置にある。便所はない。
7はグロープラグの不具合によって焼失し、廃車となった6の代替として製造された車両で、車体はキハ22形に準じた極寒地仕様に設計変更された。客室窓は1段上昇の二重窓で、デッキを設けたため客用扉は車端部に移されている。
キハユニ26形
暖地向けの郵便荷物合造車。キハユニ25形と同様に室内配置は前位から運転室・荷物室・郵便室・客室となっている。客室窓は上・下段とも上昇式で、客用扉はキハ25形の後位扉と同位置にある。便所はない。
番台の区分はないが、構造は1 - 41がキハ20形200番台に、42 - 59は同500番台に準ずる。
国鉄分割民営化後の状況
キハ21形、キハ25形、キハユニ25形、キハユニ26形は国鉄分割民営化以前に全廃され、新会社に承継された内訳はキハ20形53両、キハ22形157両、キハ52形73両の計283両であった。東海旅客鉄道（JR東海）を除く旅客5社に承継された。
JR移行後は各旅客会社とも残った特定地方交通線の転換や新形式気動車への取替えにより廃車が進行し、キハ20形は1993年までに、キハ22形は1995年までに全車が廃車された。その後もキハ52形のみは残った。これは、本来キハ20系を置き換えるべきキハ40系の出力荷重比が悪く、キハ40形に対する強力形形式となるキハ67系の製造は様々な問題から少数に終わり運用にも制限がついたため、両運転台の一般型で強力形気動車として需要があったためである。しかし、21世紀に入る頃から新世代の気動車への置き換えが進み、JR九州、JR東日本の順に運用を離れ、2010年3月をもってJR西日本でも定期運用を終了した。
JR北海道
引き継がれたのはキハ22形のみで、経年が浅く状態のよい103両が残った。キハ40形のワンマン化にさきがけ、1990年に苗穂工場でキハ22 321・314がワンマン化改造され、キハ22 701・702となり、1月に出場した。同年3月より函館本線上砂川支線でJR北海道の鉄道線では初となるワンマン運転を開始した。次いで同年内にキハ22 311・312・330・334が五稜郭車両所でワンマン化改造されてキハ22 703 - 706となり、江差線・函館本線の長万部以南の順に投入された。これらは白地に青の細帯とコーポレートカラーの萌黄色の帯を巻いた新塗装で出場した。
ワンマン化改造された車両も含め1995年までに全車廃車された。
JR東日本
キハ20形11両、キハ22形54両、キハ52形30両が承継された。
キハ20形・キハ22形
キハ20形は足尾線用として高崎運転所に配置されていた車両と真岡線用として水戸運転所真岡支所に配置されていた車両で、両線の第三セクター転換により全廃された。
キハ22形は東北地方の各区に配置されていたが、ワンマン運転対応のキハ100・キハ110系の導入によって、1992年までに全廃された。
キハ52形
キハ52形は一部が新型エンジンへの換装と内装の更新改造を施され、2000年代後半まで使用された。
盛岡車両センター所属の車両については新潟鐵工所製またはコマツ製エンジンへの換装・客用窓の一段上昇式化改造が実施されたほか、外部塗色は白+赤帯の塗り分けとし、正面上半部を赤色とした「盛岡赤鬼色」と俗称される配色で使用された。また、2001年頃に一部の車両が国鉄時代の朱色4号+クリーム4号の配色に復元された。2007年11月まで17両が配置され、花輪線、山田線、岩泉線で使用されていたが、キハE130形の導入で余剰となった水郡線のキハ110系が順次転用され、花輪線からは同年3月18日改正で撤退、他2線区からも同年11月25日に撤退した。使用を終了した本形式は同年12月に全車がミャンマーへ輸出・譲渡のため、川崎貨物ターミナル経由で搬出された。
新津運輸区配置の車両については長野総合車両所（現長野総合車両センター）在籍時にカミンズ製エンジンに換装された。飯山線からの転属車で、外部塗色は転属当初は「飯山線色」のままであったが、のちに全車「新潟一次色」（上の写真を参考）へ塗色変更をしている。2006年に一部の車両が国鉄時代の朱色4号+クリーム4号の配色に復元された。最終的に7両が配置され米坂線・羽越本線・磐越西線で使用されていたが、キハE120形の導入により置き換えが実施され2009年3月14日改正で定期運用から離脱した。このうち国鉄色を纏った車両はその後も磐越西線・米坂線等で団体・臨時列車に使用され、特に同年10月から12月にかけて開催された新潟デスティネーションキャンペーンにおいて、同じ国鉄色に復元されていたキハ28形・キハ58形とともに多数の臨時列車に充当し、2009年12月26・27日の「ありがとう磐越西線国鉄色号」を最後に引退した。長らく同区に留置された後、2011年8月3日付で7両とも廃車され、これをもってキハ20系は廃系列となった。同日中に全車がフィリピンへ輸出・譲渡のため、新潟東港経由で搬出された。
JR四国
キハ20形20両、キハ52形3両が承継された。
キハ52形は松山気動車区に配置されていたが、1989年までに廃車となっている。キハ20形は松山気動車区・徳島気動車区・高知気動車区に配置されて普通列車で使用された。一部の車両は延命工事を実施され客室窓が上段固定下段上昇式のユニット窓となったが、1990年の予讃線伊予北条駅 - 伊予市駅間電化に伴い、同年度内に全廃された。
JR九州
キハ20形14両、キハ52形27両が承継された。
キハ20形は高千穂線用として南延岡運転区に配置されていた11両と、都城運転区の1両、鹿児島運転所の2両が承継された。南延岡運転区には全国で唯一JRに承継された0番台（キハ20 41）が配置されていた。高千穂線の第3セクター化などに伴い、1990年に全車が廃車となった。
キハ52形は承継当初は長崎運転所に1両、大分運転所に7両、熊本運転所に2両、人吉運転区に4両、鹿児島運転所に13両配置された。その後転属や廃車が進み、最終的には筑豊篠栗鉄道事業部に2両（キハ52 132・134）が保留車として残っていたが、2002年に廃車となり消滅した。
なお、JR九州に所属したキハ52形のうち数両の貫通路扉がキハ58形等の他形式のものに交換されていた。
譲渡車・同形車
本系列の中には他社に払い下げられたり貸し出された車両があるほか、同仕様で製造した同型・類似車両が多数存在している。
キハ20形（譲渡車）
鹿島臨海鉄道に4両、水島臨海鉄道に12両、島原鉄道に13両譲渡されている。鹿島臨海鉄道では2000形（2001 - 2004）、水島臨海鉄道ではキハ201 - 212、島原鉄道ではキハ2005 - 2017となった。2018年4月現在ではひたちなか海浜鉄道に1両（キハ205）在籍している。
キハ22形（譲渡車）
津軽鉄道・弘南鉄道（黒石線（旧国鉄黒石線））・下北交通（大畑線）に各3両譲渡されている。津軽鉄道ではキハ22027 - 22029、弘南鉄道ではキハ2210・2220・2230、下北交通ではキハ85 1 - 3となった。いずれも老朽化や使用路線の廃線により廃車となっている。
また国鉄時代の1986年に阿武隈急行に5両、秋田内陸縦貫鉄道に9両が貸し出されている。ともに番号はそのままで塗色のみ塗り替えられた。いずれも1988年まで使用され、電化や新車両への置き換えによりJR東日本に返還された。
キハ52形（譲渡車）
1987年に南阿蘇鉄道へ、2010年にいすみ鉄道に1両ずつ譲渡されている。
南阿蘇鉄道に譲渡されたキハ52 35はMT2105に改番され当時のMT-2000形と同じカラーリングに塗り替えられたが、あくまで予備車の位置づけのためワンマン化改造されず、あまり使われないまま1993年に廃車となっている。
大糸線で最後までイベント用に運用されていたキハ52 125は黄褐色2号+青3号の塗色のままいすみ鉄道に譲渡され、2010年12月に行われたお披露目を兼ねた撮影会で展示された後、整備とクリーム4号+朱色4号への塗色変更を受け2011年4月29日から営業に入っている。2014年3月からカラーリングが首都圏色に変更されたが、2019年6月に国鉄一般色に塗り直された。
動態保存車
下北交通大畑線に譲渡され、同線のキハ85形として使用されていたキハ22 149 - 151の3両は、同線廃止後の旧大畑駅構内で、保存団体「大畑線キハ85動態保存会」の手によって定期的にエンジンを稼動させ、動態保存されている。このうち、旧キハ22 150は国鉄時代の塗装（クリーム色＋朱色）に戻されている。