国鉄103系電車
101系全電動車化計画の頓挫
1957年（昭和32年）に国鉄初の新性能電車として登場したモハ90形（後の101系通勤形電車）は当時の民鉄の高性能車に匹敵する加速度・減速度などを備え、国鉄の通勤輸送力の要として期待された。しかし、試運転を重ねるうちに所定の加速度設定では電流が、き電設備に負荷をかけることがわかり、営業運転開始時から101系は本来の性能を出せず、オール電動車編成を持て余すことになる。初めての新性能電車の運転に対して、国鉄工作局も電気局も変電所容量や架線設備が適合するかのチェックを見落としていた。既に1957年（昭和32年）度にモハ90形が150両分予算計上されており、1958年（昭和33年）春から夏にかけて落成したが、量産車も本来の性能で運転できなかったことから全電動車編成のあり方に疑問がなげかけられる。モーター数を減らした編成で運転した方が車両新製費用が安いことから、1958年度の新製車からは、10両編成中2両をモーターなしの車両にした8M2T編成で増備されることとなった。
新形通勤電車の構想
101系が設備面と主電動機の容量不足で今後の通勤線区に対して効果的な増備が行えないことから、国鉄本社運転局では「通勤電車の問題点」を1960年（昭和35年）2月にまとめ、次期通勤電車に対する要望として経済的で大量生産できる車両を挙げた。方向性としては、オール電動車形式による高性能車と回生ブレーキをセットに考える方法と、電動機の出力をアップしてMT比を1:1にして運転する方法が検討されている。回生ブレーキは勾配用抑速ブレーキとして国鉄でも採用実績はあったが停止用回生ブレーキは民鉄を含めても一般的ではなく、京阪電鉄が1959年（昭和34年）2月以降1650型の一部において搭載し、営業運転をしながら試験を続けており、その試験結果によって同年9月より回生ブレーキ付き2000型の営業運転を開始した。また、小田急電鉄では主電動機の出力を高めMT比を1:1とした2400形がデビューし、これまでのオール電動車による高性能車から、MT比1:1による高性能車へと変革をとげつつあった。構想にあたって回生ブレーキは京阪の研究結果を待つことにしたが、国鉄でも試作車を1959年（昭和34年）度中に落成している。
架線温度上昇問題
中央線の新性能化に大きく貢献してきた101系だが、1960年（昭和35年）には別の問題が発生した。旧形国電に比べてパンタグラフ当たりの集電電流が大きくなったことによる架線への影響である。中央線の101系化率は同年4月には84%に達し、101系の通過両数が増えたことから中央線の架線温度を上昇させ、架線の摩耗が激しいだけでなく、夏場などには架線溶断の危険性も浮上した。この問題は、架線を平行に並べるツインシンプルカテナリー方式を用いることで改善できることもあり、中央線と中央緩行線の工事を行った。
101系のパワーアップを検討
101系の問題点を克服し、標準形通勤電車を設計するための基礎資料として、1960年（昭和35年）3月末に回生ブレーキを搭載した101系910番台を試作し、同年6月から回生試験を開始した。試験の結果、初期費用が高いこともあり、回生による消費電力量の削減などを照らし合わせて考えても、大量生産しなければならない通勤形電車に搭載することは不適切との結果となった。また、小田急2400形が採用しているのと同じ120kWのMB3039A形電動機を101系2両に搭載し、1961年（昭和36年）1月に中央線や山手線で試験を行った。結果として、回生ブレーキを採用できない状態で主電動機のみをパワーアップすることはできないため、国鉄の1961年度技術課題では回生ブレーキ試作車を大阪環状線に転じて、編成単位での長期試験を行うことも検討された。
限界性能の6M4T化
1960年（昭和35年）初頭から選考に入った101系に代わる次期通勤電車は、101系の失敗を繰り返さないためにも、様々な試験を重ねたうえで電気局など多数の関係者も含めて慎重に仕様を決める必要があり、それまでの通勤輸送改善のための車両増備は101系に頼らざるを得ない状況にあった。国鉄の整備計画である第一次5ヵ年計画での車両増備が、予定の390億円に対して321億円と予算不足にあったことから、101系を10両中モーター車8両という構成から10両中モーター車6両にして、製造費の高いモーター車を減らすことで少ない予算で多くの車両を通勤輸送に投入した。これを実現させるには編成を基本8両編成から7両編成に減車しなければならないため、東京鉄道管理局の日中輸送力の検討結果を待って決定された。その結果、昭和35年度本予算では101系のモーターなし車のみ88両が製造され、101系の編成替えを実施し各線の輸送力増強に充てられた他、中央線では11月21日のダイヤ改正にてオール101系化がなされた。
車体の設計
車体は101系をベースにしているが変更点がある。床材は、101系のリノリウムを塗り固めた構造では修繕作業に手間がかかることから、103系では床鋼板の上に床仕上げ材を貼った簡単なものとなった。モーター付き車両の側面には主電動機などの回転機の冷却風の取込用として風取り入れ口を設けた。
MT55の概要
103系通勤電車用として、端子電圧375 VのMT55が設計されたが、想定される速度域や消費電力量などを考慮し、全界磁定格回転数は1,250 rpmで103系に搭載した場合の定格速度は33.5 km/hという中速形の電動機となった。高速域での使用も考慮したが、保守との兼ね合いから補償巻線を設けない範囲で最大限弱めることとし、弱め界磁率を35 %と高くとって高速性能をカバーした。正規運転時におけるRMS電流を1時間定格の80 %、回復余力を10 %と見込み、電気ブレーキの有効範囲なども比較検討した結果、主電動機出力は110 kWとした。定格速度は36.5 km/hとなり、定格回転数は1,350 rpmとなった。これは定格速度が低く、実際では弱め界磁運転が多くなるため、定格を85 %界磁上においてバランスをとっている。また最大許容端子電圧をMT54などの750 Vではなく900 Vまでにしたことで、電気ブレーキの有効範囲も広く取ることが可能となった。
本系列の投入先
新型通勤電車の概要がまとまると、どの線区に投入するかが焦点となった。1962年（昭和37年）6月頃には本系列を山手線に投入するのか、捻出される101系の転用先をどうするのか早急に決めるべきだという議論がなされた。
1962年秋の山手線8両化のための変電所増強では、101系6M2Tの限流値300Aでの運転を想定しており、限流値を350A→480Aにするための変電所増強計画が提案・検討された。変電所増強時点で、本系列4M4Tで限流値415Aの場合、101系6M2Tの限流値480Aでの運転とほぼ同等の所要時間で運転を行うことが可能と判断されたため、本系列の山手線投入を早急に決定しなければ、不要な変電所増強を行うことになる。このため1962年10月には国鉄本社運転局・営業局・電気局・工作局などにより「新型通勤電車の投入線区について」がまとめられ、103系の投入線区を山手線・京浜東北線・総武緩行線に絞り込んで議論が続けられた。その結果を踏まえ、同年11月5日の常務会にて本系列は山手線に投入し、101系を総武緩行線に転用することが決定された。
1962年11月15日に渋谷・東京などの変電所増強が完成し、11月19日のダイヤ改正から山手線の一部8両編成化が行われた。電動車比率が上がったことから限流値は300Aのままとされ、山手線一周の運転時分は5M3Tの旧性能車よりも20秒短縮できたが、変電所増強が完了するまで、新性能化がされながらも旧性能車並に制約を受けざるを得なかったのが、当時の首都圏電力事情である。
試運転
1963年（昭和38年）3月25日先行試作車1編成が落成し、9か月に渡る試運転を繰り返した後、12月28日より営業運転に入った。試運転では問題が発生していたものの、早急な新車投入が求められていたことから、最低限の手直しで量産車を発注している。
量産
1964年（昭和39年）以降の国鉄における通勤用の標準車両として大量に製造され、直流通勤形電車はもとより日本の鉄道車両としても最大の車両数を誇り、1970 - 1980年代（昭和40 - 50年代）の首都圏や近畿圏など日本の都市圏通勤輸送を支えた。
山手線への投入
1964年（昭和39年）5月より量産車（ウグイス色）が山手線に配置され、1964年度で202両が製造された。捻出された101系（カナリア色）は総武緩行線に転出し、別途新製された先頭車2両を組み込み10両編成で運用された。
通勤電車初の10両貫通編成の出現（山手線）
1968年10月1日のダイヤ改正には、山手線に103系10両貫通編成が登場した。山手線ではラッシュ緩和を目的として編成を8両から10両に増強する工事を進めていたが、当時の山手線の電車区の状況は品川電車区が手狭なこともあり、夜間は山手線の車両を京浜東北線の蒲田電車区や下十条電車区に収容する必要があり、山手線で使用する56編成のうち34編成を電車区に夜間疎開した。京浜東北線の車庫を間借りしながら10両編成化を進めるには無理があるので、山手線内に新しい電車区を新設することになり、大井工場の敷地内に新たに収容能力490両の2階建て電車区を建設して、品川電車区を移転する工事を1965年（昭和40年）3月に開始すると共に、山手線のホーム有効長延伸工事も進めた。1967年（昭和42年）4月3日に新品川電車区の留置線のみ一部供用を開始し、京浜東北線の夜間疎開を24編成に減らした。同年10月、検修設備など電車区としての設備も含めた一期工事が完成し、京浜東北線の夜間疎開は18編成に減り、翌年の10両編成化への準備を着々と進めていった。当初、1968年12月に新品川電車区は完成する予定だったが、同年10月1日に予定されている全国ダイヤ大改正に合わせて準備を進め、山手線を10両編成運転にするための車両の増備も昭和42年度第3次予算で中間車2両を20編成分、合計40両発注した。
9月から増車用の新製車が山手線に配属されて、10月1日から8両編成の中間に組成し10両運転を開始した。このことにより山手線の10両編成は運転台が編成の前後のみの貫通編成となったが、これは通勤形電車では初めての事であり、余分な運転台がない分だけ定員が増え、ラッシュ輸送に適した編成となった。増車用の車両は10月中に出そろい、10月24日までに8両編成18編成が10両編成に生まれ変わり、ラッシュ時は内回り12編成、外回り6編成が10両編成化され、池袋駅では内回り7時50分から8時17分まで連続して10両編成が来るダイヤとなり、混雑が緩和された。ラッシュ緩和に効果のある貫通編成だが、車庫の検修庫の設備が貫通編成の長さだけ必要な関係で、10両運転をしている他の線区では設備の都合で3両+7両編成などの分割編成にしなければならないケースもあったが、常磐線・京浜東北線など設備の整っている電車区の編成は一部が1970年（昭和45年）から10両貫通編成にて運転された。
快速運用への投入（阪和線）
阪和線の天王寺 - 鳳間は1965年（昭和40年）6月から6両運転を開始したが、鳳以南から天王寺に運転されている快速列車の朝ラッシュ時の混雑が1965年（昭和40年）11月現在で319%となっていた。さらに鳳以南では1968年度までに26,000戸の住宅開発が予定されており快速列車の6両運転を計画していたが、1968年10月改正に合わせて設備が完成することから6両編成の103系を快速列車用として投入した。103系投入により快速のスピードアップが図られ東和歌山（現在の和歌山）- 天王寺間で通勤時間帯9分、日中7分の時間短縮が行われた。103系は山手線や京浜東北線という緩行線用に使用しており、快速用として使用するのはこのときが初めてである。
運転速度向上による問題（東海道・山陽線）
京阪神緩行線への投入から3年後の1972年（昭和47年）3月15日のダイヤ改正後のスピードアップでは、ブレーキ初速が90km/h台になると電気ブレーキを使用した際に主電動機に過電圧がかかることから、保護回路が頻繁に作動し、電気ブレーキが作動せずに故障と紛らわしいと苦情が多発。保護回路が作動する際に衝動が大きく、乗り心地にも影響を与えることなどが判明した。設計上95km/h程度までは過電圧が発生しないため、101系に取り付けられていた減圧継電器を省略していたことも原因の1つではあるが、本来の性能に近づけるため一部の回路を改良し、1972年度中に過電圧を防止する対策が施工された。
3両編成による運転の開始（阪和線）
阪和線の支線である鳳 - 東羽衣間は3両編成の旧形国電により運転されていたが、1977年（昭和52年）春に阪和線用を含め33両が増備され、同区間用には103系を3両編成に組成して投入した。この投入により、同年4月14日改正にて阪和線新性能化が完了した。3両編成を組むため編成はクモハ103-モハ102-クハ103となったが、103系の3両編成による運転はこの阪和線が最初のケースとなった。
通勤輸送での冷房化の推進
昭和40年代前半になると家庭でもクーラーが普及し始め、通勤型電車でもクーラーの要求が増していく。そこで国鉄では103系と113系にて冷房装置の試作を昭和45年に行い、昭和48年度より103系は冷房車製造を行っていく。冷房装置付きの103系が増備されることで各線区の冷房化率が上がった。
JR化後
3500両近い103系がJRに承継されたが運用線区の変更や置き換えなどが行われた。
15両運転の開始（常磐快速線）
常磐線は上野 - 取手間の通勤形電車を用いた運転と取手以北の近郊形電車を用いた運転とに分けられ、ラッシュ時の混雑が増大してきた1985年（昭和60年）3月のダイヤ改正で近郊形電車は15両に編成を増強したが取手以南の通勤形電車は10両のままであり、JR化後ラッシュ1時間の混雑率252%と首都圏で最も混雑する路線となった。そこで通勤形車両の編成増強のため1988年3月改正をめどに設備工事を行ってきたが、昭和62年11月にほぼ完了することから12月1日より一部電車の15両運転を開始した。通勤形電車における15両編成化はこの時の103系によるものが全国で初めてである。
近郊路線への進出（山陽本線・呉線）
1991年度からJR東西線の開業を見越し乗り入れ予定の片町線では地下線対応の207系に置き換えを始めた。捻出された103系は100両を超えそのほとんどが冷房車であったことから、関西本線・阪和線の非冷房車置き換えに転用されたが一部は山陽本線下関運転所に冷房化率改善のため転出。103系は過去にも通勤区間で駅間の長い路線に投入されたことはあっても、近郊形電車の運用区間に直接転用されたことは無かった故に、鉄道雑誌ではその使用方法について疑問が投げかけられた。特に山陽本線岩国以西は105系トイレなし編成での運用実績は有ったが103系の投入により約半年で広島運転所に転配されている。
ワンマン運転の開始（阪和線羽衣支線）
JR西日本阪和線鳳-東羽衣間で運転を開始するも日中は1両単車で足りることから1987年（昭和62年）6月1日よりクモハ123+クモハ123+クハ103という編成で、始発から朝ラッシュ時は3両編成、日中は1両、夕ラッシュ以後は2両編成という柔軟な運用になった。その後1989年10月20日から車内での運賃収受のないワンマン運転を103系で開始。同様のワンマン運転はJR九州の筑肥線でも行われている他、車内に運賃箱を設置した車内収受タイプは播但線や加古川線でも行われている。
改造工事
103系は長期間にわたり使用されているため、国鉄時代から様々な改造工事が行われている。工事内容などの詳細は後述する。
廃車
103系は大量に製造されたために、JR化後30年経過した2018年4月時点でも100両近い車両が在籍している。廃車のほとんどは老朽廃車であるが、一部事故廃車が存在する。
国鉄時代の事故廃車
1970年5月20日、根岸線新杉田 - 洋光台間で下り電車が土砂崩壊に乗り上げ、前位側2両にあたるクハ103-548とモハ102-169が大破した。その結果この2両は1971年3月27日付けで廃車となっている。モハ102-169とペアを組むモハ103-105は整備の上、新たに製造されたモハ102-445とペアを組んで復帰している（窓枠の異なる車両同士でのユニット）。
JR東日本の事故廃車
1988年12月5日、中央緩行線東中野駅構内に停車中の103系10両編成に、後続の201系10両編成が追突。103系の後位側9両（クハ103-277・モハ103-334・モハ102-490・サハ103-326・モハ103-21・モハ102-21・サハ103-327・モハ103-336・モハ102-492）のうち中間車8両が回復不能として1989年3月23日付けで、先頭車のクハ103-277が1989年7月25日付けで廃車となっている。
JR西日本の事故廃車
1994年8月3日、福知山線三田 - 新三田間で上り電車がトラックと衝突、前位側先頭車であるクハ103-839が大破した。その結果同車は1994年8月10日付けで廃車となっている。
他形式等との比較
本形式は、製造期間が20年以上に及んだため、その間の技術向上などを反映しにくく、製造後30年近く経っても大量に残っていたこともあり、陳腐化していた。オイルショック以後の省エネという観点において回生ブレーキを装備していなかったことの指摘もある上、JR東日本が製造した209系通勤形電車の車内に103系電車との消費電力量比較が掲示されたことと相まって、浪エネと表現した記事も見られるようになる。鋼製車体で回生ブレーキを装備しない本形式が過去にどのような比較等をなされているかを示す。
旧型国電や101系との比較（1981年頃）
経済運転は、動力費が原価の部分であると考えるなら企業内で取り上げられて当然であり、各鉄道会社でも古くは蒸気機関車の石炭消費量の節約方法など活発に行われた。103系のような通勤電車の場合も同様に経済運転の手法が確立されており、通勤電車のように起動・停止が連続するものに関しては、定格速度を低く取る事で起動抵抗を早く抜け抵抗ロスを少なくし、高速域は界磁を弱めて対応することが得策である。一定駅間を同一時分で運転する場合は、加速度を高くとり惰行時間を多く取ればブレーキ初速が遅くなりブレーキによるエネルギー損失を防げ、加速度を大きく取ると103系のような直流直巻電動機を用いる場合、定格速度が低くなるが、逆に起動時の抵抗ロスを減らす効果がある。抵抗損失は抵抗の抜ける速度の二乗に比例して増大するため、101系や旧型国電に対して抵抗を抜ける速度が約30km/hと低い103系は、これらの形式に比べて格段に抵抗損失が少なくなっている。結果として、103系を用いることで首都圏などの通勤線区では10%程度省エネとなっている。
駅間が長く高速運転できる形式との比較（1985年頃）
103系電車が阪和線や東海道・山陽緩行線などに投入されると、駅間距離が長い路線では、一般に最高速度やブレーキ初速が高い運転がされているため、投入当初は苦情も多かった。しかし、原因の追及などによりそれらの不満は解消されることになるが、このことが恒久的な問題点だと記事にしたケースなどもあり、駅間が長く高速運転をする線区では103系は適さないと思われるようになった。
しかし車両設計事務所の川添雄司は「103系は駅間の長い路線や最高速度が高い路線など別形式が有利に見える路線でも、データを見ると103系に有利な数字が出るとしている。東海道本線・山陽本線などでは、3ドアの113系を4ドアにしたような車両でよいかもしれないが、比較すると103系の方が消費電力量が少ない。103系は駅間の短いところから長いところまで使える上に、価格も安い」と述べている。このことは前述の113系等との1km - 5kmの運転時分や消費電力量の比較などを見ても明らかである。
大量生産の弊害
103系は長期間にわたり大量に製造されたことから、試作後20年を経過した1980年代後半より、アコモデーション面での見劣り、オイルショック以後の省エネ施策の未対応、スピードアップ要求に対応出来ないほか、乗り心地面など様々な面が指摘されるようになる。103系と同時期に設計された国鉄車両も同様な問題点があったが、例えば101系が一部の短区間路線を除き1990年代初めには置きかえられた反面、103系は最終増備車が1984年（昭和59年）製であることから、21世紀に入っても大量に残った。初期に製造された車両を少量数しか承継せず、比較的早い時期に近郊形電車で置き換えが可能だったJR東海は別にして、103系と同時期に製造され続け、103系同様に陳腐化した113系や115系電車を大量に抱えるJR東日本やJR西日本では置き換えのペースが遅く、格差が広がる結果となった。
原因
通常の大量生産される輸送機器では同一の製品を20年以上もそのまま作り続けることは、日本では例がない。例えばスーパーカブのように基本設計の完成度が高く、登場時点で既に21世紀の製品にも劣らない信頼性を有していたものであっても、オイルショック以降の環境・安全面での要請の高まりに対応して大幅な改良が加えられた。しかし、103系電車は試作車落成後20年以上も製造が続けられ、目立った改良は1974年以降の生産分の先頭車両がATCに対応した高運転台タイプに改められた程度で、1980年代に205系が登場するまで新世代の通勤車両は103系を置き換えなかった。これらは下記のような理由によるものである。
標準化による技術の停滞
国鉄では1960年（昭和35年）頃から日本国有鉄道規格、いわゆるJRS (Japanese National Railways Standards) が整備されはじめる。標準化の効果は費用が低減すること、品質が安定すること、作業能率が上がること、安全性が高まることなどメリットが多く、大量の資材調達を行う国鉄が導入することは当然のことであった。標準化による技術の阻害については、標準品を継続して使いつつ技術の進歩を蓄積し、一定のタイミングでモデルチェンジを行うことで技術開発との調和ができると考えられていたが、結果的には単純化の考えにより特定メーカーごとの特徴が出にくくなったこと、特定会社に有利にならないように配慮したことが逆にメーカーの競争力を奪ったことなど、技術革新テンポに合致せず技術の停滞を招く原因にもなり、JR後に廃止された。
国鉄の財政赤字
車両を軽量化すれば維持費用が下がるほか、加速力が質量と関係があることから、加速性能や高速性能のアップが見込める。1960年代に入るとアルミやステンレス車体の試作車を製造し始め、国鉄でも関門トンネル用や営業車ではサロ153形やキハ35形などでステンレスを用いた車両を製造していたが、地下鉄東西線への乗り入れ用として1966年（昭和41年）に全アルミ車体の301系を完成させる。301系では1両あたり5t近い車体軽量化が図られたほか、台車を空気ばね付きとして乗り心地を改善している。アルミ車体の採用によって103系と同一走行システムを維持しつつ走行性能の問題点を解決できたが、素材の価格が鋼板の6倍から7倍するアルミを用いた車両を大量に製造することは国鉄には難しく、1971年（昭和46年）の西船橋延長用の増備車は低コストな普通鋼車体・金属バネの103系1200番台になった。これはアルミ車体軽量化で顕著な効果があったと認めながらも、財政事情が悪い国鉄では同じ予算で1両でも多くの車両を製造したいという考えがあり、財政赤字が車両の改善をも影響を及ぼしていることがわかる。長期量産による初期製造コストの低さ（短期的費用の安さ。代わりに長期的には在来車同様のメンテナンスや重更新の必要性が発生する）と、「いくつかの欠点を度外視すれば、大方の用途において当面の必要性能を充足しうる」という103系の特性は、それが旧弊化・陳腐化していることが明白であっても、なお財政赤字の国鉄に増備を続行させる動機となったのである。
個別案件
103系は様々な線区で使用されたことにより、線区特性などに合致しないケースなども多く見られた。経営判断としての投入なのであるが、それ自体に疑問を投げかけられた。故障などの頻度を他形式と比べた場合、103系は他形式より件数が多くなることに留意する必要はある。なお、原因を解明したとしても、それが展開されずに他線区でも同様な問題点が発生する。
衝動について
山手線の103系が40km/hから50km/hの間で電気ブレーキを掛けた場合に前後衝動が激しく、乗客にけが人が出ることもあった。そこで運転士が2段ブレーキを用いて対策を講じたが、ブレーキ距離などの問題があった。原因究明の結果、103系のMT55は電気ブレーキの立ち上がり時に急激に電流が流れることで大きなブレーキが発生していたことがわかった。よって、ブレーキ時の衝動は少なくなった。
走行音
技術の発達に伴い、電車の主電動機や台車等の走行機器から走行中に発生する車外への騒音は年々低減される傾向にあるが、基本構造が1960年代の技術水準に留まる103系は、その面でも改善がほとんど図られてこなかった。同時代に開発された旧型車両の置き換えが進行する中、103系は周辺環境対策でも不利な状況に陥った。
奈良線では2015年（平成27年）時点で他系列と並ぶ主力車として運用されているが、環境省が2015年（平成27年）に国土交通大臣に提出した、奈良線の複線化事業に係る環境影響評価における、沿線環境対策についての指摘項目では、「適切な環境保全措置を講じ、転動音、車両機器音及び構造物音の低減を図ること」として、ロングレール化や、鉄橋におけるコンクリート床版化の極力導入と並び、「103系車両からの代替による低騒音型機器搭載車両の導入推進」が挙げられている。
ダイヤ上の問題
常磐快速線と阪和線で問題になった。これは103系単独の問題ではなく、運用上、阪和線では113系、常磐快速線では401・403・415系と並行ダイヤを組むことになったためである。加減速度が高く中間加速度で劣る103系と各近郊型電車とで並行ダイヤを組んだため、どちらの特性もスポイルした。更に常磐快速線では485系（後に651系も加わる）特急もそのダイヤの中に入りこんだため、ダイヤカットに苦労することになる。
このため、東京鉄道管理局では1972年（昭和47年）の中央・総武緩行線分離後に首都圏の101系を常磐線に集結させ、上野～取手間の快速電車と取手以北へ行く中距離列車の加減速特性を近づけ、同時に松戸電車区の103系0番代を常磐快速線より平均駅間の狭い線区に転出させることが検討された。しかし、この計画は実現しなかった。常磐線快速電車と中距離列車の特性を揃えるという対策は、JR化後に前者をE231系、後者をE531系に置き換えることで実現した。
量産車に対する抜本的な体質改善工事に対する忌避
同時期に製造され性能特性も近い営団5000系などは、回生ブレーキ化によるトンネル内発熱抑制や経済化、性能特性改善のため界磁添加励磁制御へ改造されている。他にも大手私鉄では、同時期の抵抗制御車が界磁添加励磁制御に改造された例が散見されるが、2010年代前半までは国鉄及びJR各社は性能面の抜本改造に消極的だったため、実現していない。
車体
車体構造は101系に準じており、普通鋼が採用された。そのため、外観は前面以外101系と差がないが、床下機器が変更された。製造が進むにつれ設計変更が盛り込まれており、初期製造車と最終増備車で相違が大きい。屋根コンタは肩部から順に250R・1,000R・2,500R・5,000R(1500番台を除く)。
車種分類
103系の場合、通勤形車両として大量に生産されたことから、製造時期や使用目的などにより、様々な設計変更や、後述する番号の重複を避けるため、番台区分が行われた。そのため、車番により仕様の判別が可能である。
1964年 - 1967年製造車
クモハ103-1 - 133・モハ103-1 - 159・モハ102-1 - 292・クハ103-1 - 114・501 - 616・サハ103-1 - 225の計1039両が該当する。山手線向けを皮切りに、首都圏各線区へ導入された。試作編成に存在しなかったクモハ103形とサハ103形が追加された。山手線に先行投入されていた試作車は、後にこのグループに合わせた仕様に改造されている。
1967年10月以降に製造された「昭和42年度本予算車」から、客用ドアがステンレス製に変更されており、それ以前に製造された鋼製ドア車もステンレス製のものに交換されたが、改造工場・時期によって窓の支持にHゴムを使用したタイプと押え金具を使用したタイプがあり、併用車両も存在している。
1967年 - 1970年製造車
上記に続いて製造された量産車グループで、クモハ103-134 - 155・モハ103-160 - 278・モハ102-293 - 433・クハ103-115 - 177・617 - 638・サハ103-226 - 305の計447両が該当する。1967年（昭和42年）に「昭和42年度本予算追加車」が常磐線に、続く「昭和42年度第3次債務車」が阪和線にと高速運転中心の路線への投入が開始され、本系列の使用方法に対する不満や疑問が発生する原因をつくったグループである。
クモハ103形0番台とクハ103形500番台は、本グループで製造が打切られた。本グループからは高速運転対策として、付随車の台車を踏面ブレーキ装備のTR201形からディスクブレーキ装備のTR212形に変更している。
地下鉄直通用の1000番台・1200番台を除く1970年（昭和45年）までに製造された先頭車（クハ103-1 - 179・500番台・900番台全車・クモハ103-1 - 155）の前照灯は、101系と同じく250Wの白熱灯1灯装備で製造されたが、後年になってシールドビーム2灯に改造された車両が多数である。1975年に大井工場（現在の東京総合車両センター）で事故復旧工事施工のクハ103-544、同じく1977年施工のクハ103-4をはじめ、1979年からは本格的に施工された。一方で未改造のまま白熱灯で残存した車両も存在し、2000年（平成12年）11月6日廃車の京葉電車区（現在の京葉車両センター）所属クハ103-562が、最後の白熱灯車両である。
クハ103形500番台
1965年（昭和40年）に京浜東北線への本系列投入が開始されたが、当初は基本編成と付属編成の分離運転が考慮されていたことと、下十条電車区と蒲田電車区では検修線が10両分無かったことから3両と7両に編成を分割して使うこととなった。投入当時は京浜東北線の10両設備が未完成であったことから2両+6両の8両編成で使用された。2両と6両に分ける必要があるため奇数向きの先頭車としてクモハ103形が設計され、反対側はクハ103形0番台が連結された。しかし、クモハ103と対になるクハ103形は向きが偶数向きに固定されることから、両渡り式のクハ103形0番台では、ジャンパ栓納めや床下の配線が一部省略できること、両栓のジャンパ連結器を片栓の物にできることで費用を下げることが図れることから、1966年（昭和41年）4月以降の10両編成対応の製造分から、偶数向きの片渡り式にしたクハ103形500番台に設計変更された。クハ103形0番台との外見上の違いは、正面右下にあったジャンパ連結器納めがない点である。クハ103-617番以降の台車がディスクブレーキのTR212形に変更されている。また、陸前原ノ町区の車両の一部はジャンパ栓を片栓から両栓に改造している。
地下鉄対応車両
地下鉄乗入用として、以下の車両が0番台と並行して製造された。乗入先各線はすべて保安設備が異なるため、投入路線ごとに仕様を変え、新たな番台が起こされているのが特徴である。
日根野電車区からの応援編成
3500番台に加え、2006年3月には日根野電車区から阪和線で運用されていた0番台6両編成1本を借り受けた。姫路駅高架化工事の進展によって山陽本線ホームと播但線ホームを構内で入換することが一時的にできなくなり、221系電車による朝ラッシュ時の応援運用が不可能になるためである。ラッシュ時以外に使用されないことから、塗装も阪和線のスカイブルーを維持。同年11月に検査期限が近づき、かつ223系2000番台4次車投入で運用に余裕が発生した113系6両編成と交換された。
全車最初期の1964年製造で老朽化が進んでいたため、2006年12月15日付けで廃車された。
改造工事
改造工事は、形式間改造と呼ばれるものの他に、耐用年数を延長するための延命工事、線区の特性に合わせた付加設備を追加するもの、車両の性能や旅客設備の向上を図るものなどがある。ここでは国鉄時代とJR化後に大きく分けて説明する。国鉄時代からJR化後も継続して工事を続けたものは国鉄時代に始めた改造の方で取り上げる。
国鉄時代の改造工事
国鉄は1970年代になると財政難により、新造費用を軽減する目的で、別の用途に振り向けた。
101系の103系連結対応工事
1970年（昭和45年）12月10日より大阪環状線の一部を8両編成化した。大阪環状線は101系または103系の6両編成が25本配置されており、ラッシュ時2分40秒間隔運転を行っていたが、8両編成化にあたりラッシュ時の時隔を3分に戻し、捻出される6両編成4本24両を既存の6両編成に組み入れる編成替えを行い、6両編成12本を8両編成12本に組成し直した。しかし、101系は8両化に際して4M4T編成が組めず6M2T編成になることから、編成替えにあたってサハ101とサハ100が余ったため、そのサハを103系6両編成に組み込み103系も8両編成にするため若干の小改造を行なったものである。森ノ宮電車区所属のサハ100-55・58・サハ101-55・58の計4両に、ジャンパ連結器をKE57形2基からKE70形1基へ交換、貫通幌を交換する小改造を吹田工場で施工した。この4両は番号変更は行われず1979年（昭和54年）までに復元され片町線の101系編成の6連化用に転用された。
冷房化改造
103系は1973年（昭和48年）以降の製造車は基本的に冷房車となったが、それまでの非冷房車も1975年（昭和50年）度以降冷房改造工事を行った。冷房装置は新製冷房車と同じAU75形の集中冷房装置で、搭載にあたり車体の補強や側面行き先表示器の追加を行なった。冷房用電源もモハ102形に160kVAのMGを搭載することになり、既存の20kVAのMGと交換した。これらは新製冷房車に準じたものである。また、これらとは別に1975年夏に関西地区で先頭車のみ非冷房車の編成が投入されたが、扇風機回路を冷房起動回路に代用することによって一斉起動できるように施工された。その後関東地区にも同様の事例が発生したが、こちらでは両端の乗務員室内に新たに冷房起動回路用のスイッチ（冷房制御スイッチ）を取付けた。1981年（昭和56年）度からは中京地区でも冷房改造が始まり、冷房制御スイッチ取付が施工された。
AU712形による冷房化
国鉄時代から非冷房車に対して冷房改造工事を行ったが、従来からのAU75系冷房装置での改造は構体の補強なども踏まえ、1両あたり2000万円から3000万円の費用と2か月から3か月の改造時間を要した。そこでJR九州が1987年（昭和62年）度から18000kcal/h×2の床置きタイプのAU2Xを開発し費用・工期ともに三分の一で改造できるようになり、冷房化率100%を達成した。しかし、乗客の多い通勤形電車の場合の必要な冷房能力を計算したところ240%乗車時に30%の人が快適と感じるには42000kcal/hの能力が必要である。これらを考慮してJR東日本では同年9月、サハ103-128の屋根上両車端部に1基ずつ取り付ける分散冷房装置日立FTUR-300-102形を試作した。1988年（昭和63年）度から同様な屋根上配置のAU712形冷房装置（冷房能力21000kcal/h×2）を開発して冷房改造を進めた。当初の冷房用電源はモハ102形に搭載されるMGによったが同年下期からは屋根上にSC24形補助電源装置 (SIV) を取り付け、他車からの電源供給が無くても冷房が使えるようにした。その結果、冷房用の引き通し線を車体に設けておらずAU75系搭載車と混結した場合に、AU712冷房改造車をまたいでの冷房電源の供給が出来ず、冷房が効かなかった。MG給電車は2005年（平成17年）にモハ103-185+モハ102-340の廃車により営業車両から退き、SIV搭載車は0番台は2004年にクハ103-125の廃車で消滅し、3000番台も2005年に全廃された。側面の行先表示機の設置も行われたが、その対象は一部に留まっている。クハ103の偶数向き車は原則設置されず、仙石線更新工事施行車に後付けされた例があるのみで、SIV搭載型に至ってはクモハ103と3000番台の両先頭車だけであった。
前面強化工事
成田線大菅踏切事故で運転士が殉職したことから踏切事故などでの乗務員の保護のために前面を強化する工事が1995年3月末までに施工された。113系などは車両基地で施工し、施工直後は前面がステンレス地の車両も見られたが、本系列では検査入場の際に工場にて鋼板を取り付ける工事を施工した。1974年以降に製造された高運転台車は製造当初から前面が強化されているため改造対象外であった。1993年12月までの大宮工場にて施工車は尾灯上部の足掛けが外側に設置されている。インドネシアに譲渡された初期先頭車はこの形態。
JR東海の改造工事
70両を承継したが、1965年（昭和40年）から翌1966年（昭和41年）にかけて製造された初期車両であったことから、一部の冷房車を含む20両は廃車し、残った50両には以下の改良工事を施工した。
塗色変更
承継車はスカイブルーであったが、後述のリフレッシュ工事施工車両は、同社のイメージカラーであるクリームにオレンジと緑の帯に塗り替えられた。新塗色の登場は1989年。当初は前面にJRマークがなく、帯に切れ目がなかった。
C-AU711A形による冷房化
JR東日本のAU712形と同様に工期短縮と経費削減の観点から、C-AU711A形集約分散式2基搭載による改造工事が施工された。モハ102形には冷房電用SIVを搭載。青22号の塗色のままC-AU711A形を搭載した車両も存在した。側面方向幕の設置は未施工。
JR西日本の改造工事
承継車両の多くが初期から中期型車であったことから、延命を図っている。また、JR化後に新たな用途が多数発生しており、それに合わせた改造も見られる。
羽衣線関連
羽衣線には1987年（昭和62年）にクモニ143形荷物電車改造のクモハ123-5・6が日根野電車区に投入されたが、同時にラッシュ時3両運転用増結車としてクハ103-194が用意され、1995年に阪神・淡路大震災後の応援車両として貸し出されるまでの間運用された。
1989年（平成元年）秋からはワンマン運転を行うことになり、クハ103-194・クモハ123形2両、および予備車としてクモハ103-77+モハ102-186+クハ103-545にワンマン運転対応改造が施工された。なお、クハ103-194および予備車3両は1990 - 91年にWAU102形による冷房化改造と延命N工事が施工された。
阪神大震災の後、クハ103-194はJR神戸線の応援編成に転用され、代替として大阪環状線で使用されたサハ103-758に朱色のままワンマン運転対応改造を施工し、クモハ123形2両で挟んだ3両編成で運用された。
阪神大震災後の応援運用を終えたクハ103-194は、事故廃車となったクハ103-839の補充として福知山線に転出し、塗装もカナリア色に変更されたが、前面行先表示機が手動であるなど異端な存在であったことから、1997年9月1日に、播但線用3500番台への運転台部品供出のために廃車された。
1995年（平成7年）クモハ123形2両はクモハ84形置き換えのため岡山電車区に転出し、交代でワンマン運転対応改造を施工したクモハ103-23+モハ102-105+クハ103-26が投入された。
2007年（平成19年）には2編成（クモハ103-2503+モハ102-396+クハ103-162・クモハ103-2504+モハ102-451+クハ103-192）にワンマン運転対応改造が施工され、1989年と1995年にワンマン化改造された2編成は廃車となった。
WAU102形による冷房化
JR西日本の冷房改造は、当初は国鉄時代を踏襲したAU75形集中式冷房装置によって行われていたが、1988年（昭和63年）より改造に必要な費用の削減と早期の改造進展のため、WAU102形分散式を1両あたり3基搭載する方法に改められた。
冷房電源は1編成あたりクハ103形1両（大阪環状線用8両編成のみ両端のクハ103形2両）に冷房用静止形インバータ (SIV) 搭載で対応している。WAU102形は製造会社による形状の違いも認められており、東芝製と三菱電機製では外部ルーバー形状などに差異がある。性能には大差はないため、混載する車両も存在する。
WAU102形搭載車は同車エリアに広く配置されていたが、AU75形に比べて冷房能力が不足することから、優先的に廃車が進められた。2007年7月、日根野区に配置されていた羽衣線予備編成の廃車をもって近畿圏からは消滅し227系投入により最後まで残った広島圏の車両も廃車となった。廃車発生品のWAU102形や電源用SIVは105系の体質改善工事の際に一部が再利用された。
ATS-P形導入に伴うブレーキ弁改造・交換
ATS-P形搭載に付随して、ブレーキ弁の改修が施工された。電源投入方式がJR東日本と異なるため非常抜取対応のME48形は導入せず、従来からのME40形に電気接点部分改造施工で対応。その後117系などに採用されたME49系への交換が開始された。
座席モケット交換
イメージアップの一環として、201・203・205系と同様の、座席モケットが茶系統で3-1-3の区分入仕様に交換したが、その後、緑色などの試験を経て近年ではシーマンブルー（わずかに紫がかった青）1色に再交換されつつある。優先座席も青地にピクトグラムの入ったものに交換されている。福知山線脱線事故によりJR東日本から転入した8両のうち、広島運転所に投入されたクハ103形は2廃車までJR東日本仕様のままであった。
スカート設置
201系などとともに、衝撃への耐久性を高める目的でスカート（排障器）が設置され、全先頭車に施工された。
体質改善工事
1996年（平成8年）以降、後継の207系との落差改善ならびに延命N40工事以上の徹底した延命を目的とした体質改善工事が施工された。工事施工車の車番標記は、国鉄時代の丸ゴシック体→JR西日本独特の書体（モリサワ・新ゴ）に変更された。
体質改善30N
2002年以降新車投入ペースが速まり本系列の車齢も高まったことから、内容が製造後30年程度まで使える程度に縮小された。直接保守面・接客面への影響が少ない外装の改造は大幅に簡素化され、体質改善40Nに比べてドア・側窓・屋根樋などが原形のままとされた。1973年以降に製造された車両のうち、延命工事を含む上述5種類の更新未施工のクハ103形とMM'ユニットが施工対象とされた。2005年までに2両（モハ103-405+モハ102-561）を除く全車に施工された。
現状
JR東日本の場合と異なり、本系列を使用する方針により、編成替えにより延命工事施工車や後期製造車で状態不良車を置き換えるという、本系列同士の置換えで対応した。しかし、延命期間を経過したことや方針の変更、そして前述の通り環境省から騒音防止のため103系の代替車両の導入推進の通達が出された事などで、2010年頃から廃車の進行が急速になってきている。その後、短編成化や新型車両（225系5000番台、323系）投入に伴う運用見直しなどで、サハやWAU102形冷房搭載車が廃車となったほか、比較的車齢の若いユニット窓車、さらには延命期間がまだ経過していない車齢35～37年程度の体質改善車についても廃車が進行しており、大阪府下を走る各路線では既に運用されていない。
2006年 - 2007年には、JR京都・神戸・宝塚線系統に321系が投入され、201系が大阪環状線や関西本線（大和路線）などに、205系が阪和線に転用されたため、本系列の転属と廃車が行われた。また、山陽本線等の岡山地区電化区間では、2010年3月のダイヤ改正で再び定期運用から離脱している。そして2011年3月のダイヤ改正では阪和線への225系5000番台投入と運用見直しにより、森ノ宮電車区から日根野電車区への転属と廃車が多く発生、両区とも配置車両が減少した。2015年3月のダイヤ改正では広島地区への227系導入により、下関・広島地区での運用が消滅した。2016年からは大阪環状線に323系が、阪和線に225系5100番台がそれぞれ投入されている。このため2017年（平成29年）10月に大阪環状線・桜島線からは引退し、2018年（平成30年）3月には阪和線からも引退した。両路線の103系は2018年7月までに全車両廃車となった。
スカート設置
踏切事故対策として国鉄時代から先頭車にスカートを取付を施工開始し、全車完了した。
ワンマン改造
2000年3月11日ダイヤ改正から西唐津 - 筑前前原間で車内で運賃を収受しないワンマン運転を開始した。ワンマン運転に対応するための改造工事を1999年末から2000年3月にかけて小倉工場で実施した。施工内容は車外スピーカーの追設・ドア開閉時に駅ホーム設置のカメラ映像を確認可能な安全確認用液晶モニターを設置している。
トイレ設置
2002年度下期より本系列としては初となるトイレの設置が行われ、全編成の唐津向き先頭車（クハ103形奇数番号車またはクモハ103形）の車端部の海側に身体障害者対応の大型洋式トイレが設置された。これに際し、トイレ設置部分の側窓・妻窓が埋め込まれ、車椅子スペースとした側窓を1/4程度に縮小された。この改造によりJR九州の電車編成でのトイレ設置率は100%を達成している。
2004年（平成16年）以降
福岡市地下鉄空港線内（姪浜駅を含む、以下同様）には2004年までにホームドアが設置されており、その動作には本来自動列車運転装置 (ATO) 内にある定位置停止装置 (TASC) 、ホームドア開閉を連動する戸閉制御切替装置などが必要とされる。しかし本番台にはこれらの機器は搭載されておらず、地下鉄区間に乗り入れる際は必ず車掌が乗務し、停止位置は運転士が目視で調整、ホームドアは車掌がホーム設備のスイッチで操作していた。
本来の製造目的であった地下鉄区間への乗り入れは、VVVFインバータ制御でATOを搭載する303系の導入・増備時に車両運用を見直したことから、305系運用開始前の2015年1月時点では1日18往復と減少した。
筑肥線筑前前原駅以西での3両編成でのワンマン運転（駅収受方式）は本番台のみが対応している。
E01 - E10編成は、6両編成の運用において、検査などで編成の一方が運用を離脱したときには、両方のまたは一方の編成をE11 - E18編成で補ったことがあった。後者の場合でも幌枠のある先頭車（クモハ）が中間車（モハ）と連結され、貫通幌は通常どおりに使用可能であった。
地下鉄乗り入れの末期には、主に夏季を中心に地下鉄線内でのトラブルが続発した。2011年7月1日、大濠公園駅到着時に主回路故障、き電停止が発生し、所定停止位置より約10m過ぎて停車、さらに煙が出ているとの通報があったため、乗客を地上部まで避難させる事態となった。原因は減流抵抗器内碍子に塵埃等が付着し、碍子の絶縁が低下したことで抵抗体の一部に電流が流れ、溶損に至ったというものであり、減流抵抗器内碍子の一斉点検を行い、不良の碍子を取り替えるなどの対策が講じられた。2012年7月29日には、唐人町駅で床下から火花と煙が出ているとの通報があり、運行を中止するトラブルが発生した。原因は、主制御器内にあるモーター電流を安全に遮断するためのタイミングを調整するタイマーリレーの不具合により、温度上昇で誤作動を起こし、モーター電流を完全に遮断する断流器にある減流抵抗器に過大な電流が流れて焦損したためであり、JR九州は全編成のタイマーリレーを交換するなどの対応を行ったが、同年9月には地下鉄線内で照明が消えて非常灯が点灯し、またしても運行を中止するトラブルが起こり、事態を重く見た福岡市交通局はJR九州に対して103系の早期更新を要請した。
2014年1月には、2014年度に筑肥線・福岡市地下鉄直通運転へ新型車両305系を6編成36両導入することがJR九州より発表された。同系は前述の通り2015年2月5日より順次営業運転を開始し、同年3月14日のダイヤ改正までに計画の6編成36両が出揃い、営業運転を開始している。これに伴い、2015年3月をもって本系列による福岡市営地下鉄空港線への乗り入れ運用は終了し、以後は筑前前原 - 西唐津間のみで運用となっている。
305系投入と前後して、E02編成・E01編成・E03+E04編成・E05+E06編成・E07+E08編成が順次小倉総合車両センターへ配給回送されており、E01・E02編成の6両は2014年度中に廃車となり、その他の6両編成もすべて保留車となっている。
関西圏主要路線の103系
国鉄分割民営化以降、各地で廃車が進んだ103系であるが、アーバンネットワークエリアを中心とした関西圏では2010年代まで比較的多く活躍していた。本稿では2000年代以降における関西圏主要路線の103系の動向について述べる。
大阪環状線・桜島線
吹田総合車両所森ノ宮支所所属の8両編成が大阪環状線・桜島線で使用されていた。車両の車体色は朱色1号（■ オレンジバーミリオン）。なおUSJ開業当初の桜島線向けシャトル列車には6両編成も存在した。
2005年-2007年の201系転入により一部を残して廃車となり他線区へ転属したほか、2007年には他線区から体質改善車が転入したが2011年3月のダイヤ改正前後に日根野電車区へ転属した。このため4M4Tの8両編成は5編成に減少。2014年6月1日から「OSAKA POWER LOOP」ラッピング編成が運行を開始した。また大和路線直通の区間快速としての運用も存在したが、2016年（平成28年）10月3日より奈良支所所属の221系に置き換えられ消滅。これとは別に桜島線内折り返し列車に使用されていたUSJラッピング車両が、森ノ宮支所への入出区のため西九条駅-京橋駅間で営業運転されていた。
車両の老朽化が進んだことや将来のホームドア設置をスムーズに図る（扉数統一）ため、2016年（平成28年）から3ドアの323系に順次置き換えられており、2017年（平成29年）3月時点では2編成が残った。その後「OSAKA POWER LOOP」編成は2017年（平成29年）9月7日に営業運転を終了、10月3日を以って約48年間に及ぶ大阪環状線での運行を終了した。また当編成の引退と同時にオレンジバーミリオンの103系動態車は消滅した。その後は京都鉄道博物館に静態保存されているクハ103-1が唯一現存するオレンジ色の103系となっている。
引退後に先頭車のクハ103形843号車が京都鉄道博物館にて11月3日から4日間限定で展示された。また「この編成がご覧いただけるのは最後の機会になる」とも発表された。当初は大和路線ウグイス色の103系も展示される予定であったが輸送上の都合によりクハ103形802号車に変更された。
奈良線・関西本線（大和路線）・おおさか東線
吹田総合車両所奈良支所所属の4両編成があり、奈良線を中心に運用されていた。車体色は黄緑6号（■ ウグイス）で、制御車の前面窓下に白色警戒帯を配する。6両編成は201系の転入で本数が減少したが、おおさか東線の開業で6両編成の運用数が増えたため、数年間は置き換えに至らなかった。4両編成は2016年（平成28年）9月までは大和路線でも2本連結して8両編成として大阪環状線へ直通する区間快速でも使用された。
奈良支所所属の車両は電化時に投入された101系の置き換えのため、1983年から1985年にかけて導入された。日根野電車区（現：吹田総合車両所日根野支所）への入出庫との兼ね合いから編成の向きが（日根野区の阪和線用車両等と）逆になっている。これらは京阪神緩行線（JR京都・神戸線）への201系投入によって捻出された明石電車区（現：網干総合車両所明石支所）の車両や淀川電車区（当時）・森ノ宮支所などからの転入組で構成されており、長年に渡り関西圏や首都圏の各地から寄せ集められたため1編成の製造時期と形態が1両ごとに違う編成が多い。1986年11月1日国鉄ダイヤ改正で編成両数を短くしつつ日中の運転本数を増やす施策が取られたため、国鉄末期から1994年にかけては日根野電車区等から転入したクモハ103＋モハ102+クハ103の3両編成が投入され、単独運転またはラッシュ時には2編成を併結した6両編成で運転されていた。しかし乗客増に伴い1994年にJR京都・神戸線に207系が投入されたことにより捻出されたサハ103形を組み込んで4両編成化された。6両編成の一部は1988年にモハ103+モハ102を電装解除のうえ先頭車化改造したクハ103-2550・-2500を組み込み4両編成化され、単独運転またはラッシュ時に2編成を併結した8両編成（前述）で運転された。
4両編成は両端クハの編成とクモハを含む編成が混在することになったが、2007年にクモハ103-2505の4両編成が日根野電車区へ転出したのを最後に前者に統一された。
大阪環状線から撤退した吹田総合車両所森ノ宮支所の201系に置き換えられ、2018年1月24日をもって103系は大和路線（木津駅 - 奈良駅間を除く）、おおさか東線から撤退したが、同年10月28日より朝の一部の便において、奈良線所属の4両編成による奈良駅 - 王寺駅間での運転が復活している。また、奈良線についても、吹田総合車両所日根野支所の205系による置き換えが進められているが、221系転出の影響で2編成だけ残存している。
阪和線
吹田総合車両所日根野支所所属の4両・3両編成があり、阪和線（羽衣支線含む）で使用されていた。車体色は青22号（■ スカイブルー）。過去には8両固定編成も存在し、主にラッシュ時の快速に充当されていた。2003年から2006年まで鳳駅 - 大阪環状線間で運転された区間快速には8両固定編成が充当された。また4両2本併結の8両編成は2011年3月12日のダイヤ改正で姿を消した。また日中も天王寺駅 - 鳳間の普通のみとなったため、本系列の運用が減少した。
2016年（平成28年）7月より225系5100番台が投入されたことを受けて同年12月には4両編成、2017年（平成29年）7月には6両編成、2018年（平成30年）3月16日には羽衣線用3両編成が225系5100番台4両編成に置き換えられて後述するHK607編成以外は全車廃車となる。
2017年10月12日、阪和線のHK607編成（クハ103-837ほか6両編成）が吹田総合車両所日根野支所から網干総合車両所明石支所に回送された。翌10月13日付で日根野から明石に転属し、編成はR2編成となった。R2編成は営業運転に入らず、2018年2月14日に吹田総合車両所本所へ回送され、翌2月15日付で廃車となった。
試験
103系をベースにしていくつかの車両試験がおこなわれた。
チョッパ制御試験
103系が量産を開始した直後から、電機子チョッパ制御の試験などが活発化し1970年（昭和45年）に阪神7000系が日本で最初のチョッパ制御営業車として運転を始めた。国鉄でも1967年（昭和42年）に101系を用いたチョッパ試験テストを行なったほか、103系を母体にして1969年（昭和44年）11月23日から12月1日までモハ103-59に取り付けて根岸線で試験を行なったほか、1974年（昭和49年）7月にもモハ103-57に取り付けて根岸線で試験を行なった。
VVVF試験
JR東日本では1990年（平成2年）度から既存の抵抗制御車に対してのVVVF制御改造について研究を進めていたが1992年（平成4年）2月にJR東日本のクモハ103-87を東芝府中工場でVVVFインバータ装置と901系のモーター等の搭載改造をおこないJR大船工場で現車試験を行った。JR東海でも自社でクモハ103-4を改造してVVVF試験を行った。
DDM試験
JR東日本が開発中だったダイレクトドライブ・モーターをモハ103-502に搭載し、試験を行った。同期電動機駆動用制御装置としてIGBT素子によるVVVFインバータ化も同時施工されE993系との比較実験もされたが、実験の終了に伴い廃車された。同様の試験が鉄道総研内でも行われていたが、試験車両は解体された。ちなみにこの時の試験車両は武蔵野線で使用されていたクモハ103-104・モハ103-230である。
播但線
生野銀山（朝来市）と飾磨港（姫路市）を結ぶ約49kmの馬車専用道路であった生野鉱山寮馬車道、通称「銀の馬車道」をPRするためにデザインされた車両で、網干総合車両所に所属する2両編成3本にラッピングが施されている。