国鉄31系電車
構造
1926年（大正15年）から1928年（昭和3年）にかけて製造された、鉄道省初の鋼製電車30系の改良版として製造されたものである。鉄道省の電車としては、従来のモニター屋根に代わって初めて丸屋根を採用した。また、窓の天地寸法も30系の800mmから870mmに拡大され、より開放的な雰囲気を高めている。それにより、窓の床面からの高さは30系の870mmから800mmとされた。当初は、連結側の妻面には窓がなかったが、1930年（昭和5年）度製から通風改善のため窓が設置された。
雨樋は、車両限界の関係から30系と同様に取り付けられず、扉上に水切りが設けられただけであったが、車両限界の拡大された1930年度の増備車から取付けが開始され、1929年度製造車についても後に取り付けられた。前面の屋根と車体の継ぎ目のラインは、30系が弧を描いていたのに対し、本系列は直線である。屋根上の通風器は、ガーランド形が6個（モハ31形は5個）車体中心線上に配置された。前照灯は幕板部に取り付けられていたが、1935年（昭和10年）頃から屋根上に移設された。
台枠と走行機器については、30系の1928年製造車の仕様をほぼそのまま受け継いでおり、台枠は中央部の幅を広くした魚腹形（UF20）、台車は釣合梁式の動力台車がTR22(DT11)、付随台車がTR21、電動機は出力100kWのMT15、制御器は電磁空気カム軸式のCS5形、ブレーキ装置も自動空気ブレーキである。台枠については、1931年度製から魚腹形を廃した溝形台枠（モハ31形はUF24、サロ37形はUF21、サハ39形はUF26）に移行し、車体端部の裾形状が変わった（1929年・1930年度製は側面部でクランク形に下がって妻部に繋がる形状、1931年度製は直線のまま妻部に至り妻部で斜めに下がる形状）。また、1931年度製は車体の組立てに溶接を導入したため、リベットの数が大幅に減少している。付随台車は1930年度製から軸バネ式のTR23に移行している。
基本形式
京浜線に集中投入された30系に対し、本系列は山手線や中央線にも直接投入された。モニター屋根の老朽木造車の多かった両線において、鋼製丸屋根の新造車である本系列は、まさに「掃き溜めに鶴」の存在で、乗客は先を争ってこの31系電車に乗車したという。これにより、中央線に配置されていた老朽木造車のモハ1形が廃車された。
特別修繕
新製から10年程度を目処に行なわれる更新修繕で、1937年（昭和12年）に事故復旧を兼ねてモハ31形1両、1940年（昭和15年）から1943年（昭和18年）までにモハ31形75両、サハ39形16両、1940年（昭和15年）にサロ37形が格下げ改造（後述）と併施で実施された。
1937年の事故復旧による2両（31021, 31022）は妻面に窓を明け、31021と31074は試作的に屋根上の通風器を増設して3列とした。その後、更新修繕と併施で妻面への窓増設と通風器の3列化は継続して行なわれたが、全車に及ぶことなく中止された。
戦後の状況
太平洋戦争中の酷使により鉄道車両の多くは荒廃し、米軍の空襲により多くの車両が焼失した。終戦後は旅行の制限がなくなったことにより、さらに混雑が激化し、車両の荒廃も加速度的に進んでいった。戦後の混乱も沈静化した1949年（昭和24年）から1952年（昭和27年）にかけて、更新修繕Iが行なわれ、戦前同様の状態に復していった
連合軍専用車
終戦によって日本は連合国によって占領されることとなり、沿線に海軍基地のある横須賀線に転属していたサロ37001, 37002の2両は、1946年9月に全室連合軍専用車に指定され、白帯車となった。同年12月に半室指定、翌1947年2月に再び全室指定となり、1949年7月に指定が解除され、二等車に復帰した。
更新修繕
戦中戦後の酷使によって疲弊荒廃した電車を戦前の水準にまで戻すため、本系列に対しても1950年（昭和25年）から更新修繕が行なわれた。これにより、戦時中に撤去された座席の復元や、シートモケットの整備、扉の鋼板プレス製への交換が行なわれた。修繕はモハ31形、クハ38形に対しては1950年から翌年にかけて大井工場で、サハ39形に対しては1950年度に大宮工場で施工された。
さらに1954年（昭和29年）からは、桜木町事故の教訓を活かす形で、更新修繕IIが実施され、屋根上通風器のグローブ形への交換、車端部貫通路の引戸化と貫通幌整備、絶縁の強化などが行なわれた。運転台付きの車両では、初期の更新車を除いて雨樋の曲線化と幕板への運行番号表示窓設置が行なわれ、スタイルは一変した。
1953年車両形式称号規程改正による変更
1953年（昭和28年）6月1日に施行された車両形式称号規程改正により、車体長17m級の電車は、形式10 - 29に設定されたため、本系列に属するモハ31形、サロ37形、クハ38形、サハ39は、その時点で残存していた全車が改番の対象となった。
この改番により、車体長17m級3扉ロングシートの電車はその出自に関わりなく、三等中間電動車はモハ10形（2代。本系列に該当車なし）、片運転台の三等制御電動車はモハ11形、両運転台の三等制御電動車はモハ12形、三等制御車はクハ16形、三等付随車はサハ17形、二等付随車はサロ15形に統合された。ただし、番台による区分が設けられ、他系列の車両と区別された。区分の詳細については、各形式の節で記述する。なお、モハ10形については、本系列に該当車は存在しない。
交流試験車への改造
1959年5月に、支線区での交流電化（50Hz/20kV）の実用化のための試験車として、モハ11形2両（11250, 11255）が日本初の交流用電車に改造された。簡易式の交流専用電車であるため、駆動方式は現在の気動車の駆動方式である液体式であり、ディーゼルエンジンを単相交流電動機に置き換えた以外はほぼ同じであった。また、抑速ブレーキには、回生ブレーキを使用している。この2両の他、単相交流整流子電動機を駆動するモヤ94000（後のクモヤ791-1、60Hz/20kV）が新製され、比較が行なわれた。
11250は、車体は大井工場、電装品は日立製作所で製作しており、駆動方式は、交流電源を主変圧器で400Vに降圧した後に出力130kWの交流電動機を定速回転させて、液体変速機で速度制御された後にシャフトと台車に装備された逆転機を介して1軸を駆動させるトルコン式である。起動停止は気動車で使用されていたクラッチを使用せず、液体変速機のトルクコンバーターの油を出し入れすることで行う。車体は、後位に運転台を新設して両運転台とするとともに、各扉にはステップが取付けられた。前面は大幅に形状が変更され、正面はHゴム支持の3枚連続窓とし、コーナー部には斜めに小判形の小窓を設けた特徴的な形状となった。屋根は完全に張り替えられ、妻部は完全な切妻となり、前照灯は幕板部に埋め込まれた。集電装置は他に類例のない特異な形状（ビューゲルの上から1/3の部分に関節を設け、そこから上部を垂直に立ち上げたような形）のZ形パンタグラフである。外板は交流用を表すため赤色に塗られ、前面窓下と幕板にはクリーム色の警戒色が入れられた。台車は駆動方式の変更によりDT11Hとなった。
11255は、車体は近畿車輛、電装品は三菱電機製で、駆動方式は、交流電源を主変圧器で400Vに降圧した後に出力134kWの交流電動機を定速回転させて、液体継手と磁星変速機（電磁歯車）で速度制御された後にシャフトと台車に装備された逆転機を介して1軸を駆動させる電磁歯車式である。磁星変速機は戦前の満鉄気動車で実績があった遊星歯車機構が使用されていた。特異な外観を持つ11250と異なり、車体形状は極めて一般的で、前面はそれぞれが独立したHゴム支持の3枚窓、集電装置も一般的な菱形パンタグラフである。台車は駆動方式の変更によりDT11Mとなった。
両車とも、作並機関区に配置され、試験的に交流電化された仙山線で各種試験に供され営業運転も行われたが、いずれも長大編成による運転に適さず、保守上も難点が多かったことから、試験開始直後から研究自体は放棄されたも同然の状態になっていた。
後述する1959年の車両形式称号規程改正では、クモヤ790形に定められ、11250はクモヤ790-1、11255はクモヤ790-11に改番されたが、いずれも1966年に廃車された。
1959年形式称号規程改正による変化
1959年6月、新性能電車および交流用、交流直流両用電車を分離する形式称号規程改正が行なわれ、その際、中間電動車と制御電動車が分離されて、制御電動車に新記号「クモ」が制定されたのにともない、モハ11形はクモハ11形に、モハ12形はクモハ12形に改められた。また、従来形式は数字のみであったが、この改正により記号と数字を合わせて形式とするよう変更されている。
コンテナ輸送試験車への改造
1960年（昭和35年）4月に豊川分工場で改造製作された、新幹線貨物電車計画の実験用車両である。種車となったのはクモハ11208, 11221の2両で、改造後はクモヤ22形（22000, 22001）となった。台枠以外の旧車体はすべて撤去され、荷重18tに対応した強化が行なわれた。車体は中央部分を無蓋、両端を有蓋構造とし、両側に運転台を設けたものが新製され、前位運転台の直後には事務室を設けて、屋根上にパンタグラフを載せている。車端部は切妻で、幕板に前照灯が埋め込まれている。無蓋部分には、5t積コンテナ（10ft）3個を載せられるよう、コンテナ貨車と同様の緊締装置が設けられた。外板塗色は従来どおりの茶色（ぶどう色2号）であるが、前面は黄色と茶色のV字形の縞模様とされていた。
翌1961年（昭和36年）4月には試験が終了し、特徴的な縞模様も消されて一般的な茶色一色に変更された。22000は大船電車区に配置されて大船工場の入換用、22001は高槻電車区に配置されて無蓋部分にあおり戸を設置し、形式変更はせず配給車として使用された。22000は1972年3月、22001は1981年（昭和56年）に廃車された。
富山港線用降圧改造
それまで社形電車（いわゆる「買収国電」）が使われていた富山港線の体質改善のため、1965年5月にクモハ11形、クハ16形のペア4本が富山第一機関区城川原支区に転入した。当時、富山港線の架線電圧は600Vで、転用車には1500Vからの降圧改造が行なわれた。
それらのうち、クモハ11形3両が本系列に属するもので、クモハ11224, 11228, 11242であった。これらは、1967年4月に富山港線が1500Vに昇圧されたのにともない72系に置き換えられ、廃車された。
仙石線配属車の貫通化
仙石線では1960年代後半より合理化に伴う各駅無人化が進められる一方で、通勤時輸送力の増強も課題となり、陸前原ノ町以遠の複線化に着手していた。当面の対策として連結両数の増強が行われ、MT2連組成による4連運転が常態化しており、車掌業務の便と乗車効率の平均化を図るため、1963年度より旧30・31系の前面貫通扉と幌枠の設置工事がおこなわれた。
旧31系ではクモハ11226, 11227, 11243, 11245, 11251, 11252, 12010およびクハニ19021が対象で、1965年度までに順次施工されたが、うち11227については72系の転入が決まったことから、未施工のまま廃車されている。
サロ15形の格下げ
サロ15形は、横須賀線から伊東線に移り二等車（1960年の二等級制移行後は一等車）として使用されていたが、並ロ相当の旧形一等車格下げの方針により、1963年度に二等車に格下げされた。車内設備は一等車時代のままで、記号のみ「サハ」に書き換えられた。格下げ後は宇都宮運転所に転属し、東北本線などで使用されたが、15001が1964年8月11日に矢板事故により大破し廃車。15000も1966年に廃車された。
廃車と現状
本系列は、車齢が高く収容力の小さい17 m 車体であったことから、地方や支線区への転出が進み、仙石線、南武線、青梅線、大糸線、富山港線、福塩線、可部線、宇部線・小野田線などで使用されたが、1970年代前半にはほぼ姿を消している。しかし、本系列が営業用として最も遅くまで残ったのは首都圏であり、南武支線ではクモハ11形とクハ16形が1980年（昭和55年）まで、鶴見線の大川支線ではクモハ12形が1996年（平成8年）まで使用された。
鶴見線で使用されていたクモハ12052、12053の2両は1987年（昭和62年）の国鉄分割民営化とともに東日本旅客鉄道（JR東日本）に引き継がれた。これは、大川支線が分岐する武蔵白石駅の専用ホームが急カーブ上にあり、17 m 車でなければ入線不可能であったためである。JR東日本管内最後の旧型国電として武蔵白石 - 大川間の区間運転に使用されていたが、老朽化と補給部品などの面でも限界が近づき、対応策として1996年（平成8年）に武蔵白石駅の大川支線ホームの撤去工事を行ない、20 m 車の入線可能な線形とし、103系に置換えられて営業運転から退いた。その後両車は、東京総合車両センターに保管されていたが、クモハ12053は2006年（平成18年）4月2日付で車籍を抹消され、2010年（平成22年）2月下旬に解体された。一方のクモハ12052については、中原電車区に車籍を有したまま東京総合車両センターの南修繕場内で現在も保管されている。
保存
JR東日本に引き継がれ1996年に運用を離脱したクモハ12形2両（12052, 12053）は、車籍を有したまま東京総合車両センターに保管されていたが、前述の通りクモハ12053は2006年に除籍、2010年に解体された。この他に車籍のないものとしては、神奈川県鎌倉市の旧鎌倉総合車両センター深沢地区（旧大船工場）にクモハ11248が保存されていたが、2013年2月に解体されている。
JR東海では、クモハ12054とクモエ21800が静岡県浜松市の佐久間レールパークで保存されていたが、クモエ21800は展示車両の入換えにともない現地で解体され、クモハ12054はリニア・鉄道館に展示予定のクモヤ90005をモハ63形に復元するため、部品を供出の後解体された。