国鉄キハ181系気動車
車体構造
151系「こだま形」特急電車に始まる、準張殻構造、複層ガラス、客室設備、それに特急色などの要素は受継がれた。ただし、機関出力の増大、屋根上への自然放熱式冷却器の搭載、冷房装置の強化に伴う重量増などの対策のための構体補強などにより自重は中間車であるキハ80形とキハ180形の比較で3 t増加している。また、台車が仮想心皿方式となり、枕ばねとして車体直結型空気ばねが採用されたため、客用扉が位置的にこれと干渉することから戸袋を設けて引き戸にすることができず、2枚折戸に変更された。加えて同時期製造の特急電車などと同様に、側面行先表示器を採用し、便・洗面所をデッキ外に配置している。またキハ82形をはじめとする他の特急形車両の塗り分けと異なり、側面窓まわりの赤帯は端部の上側がせり出した逆台形型となった。
車体寸法
キハ80系固有の車体長21 mから、新世代の客車・気動車標準の21.3 m（いずれも連結面間）に拡大された。
車内
キハ80系を概ね踏襲しているが、2等車（普通車）の座席は回転クロスシートであるT17形座席で、80系では座席背面がデコラの化粧板であったが、特急形電車同様に座席と同素材のモケット張りとなっている。1等車（グリーン車）の座席は腰掛けに小型格納式テーブルを持つR22形で、80系に見られたヘッドレストの上下調整機構が省略されている。
空調機器
キノコ型キセ付きのAU12系から、14系座席客車でも採用された、1ユニットずつ独立した分散型のAU13Sへ変更された。
走行用エンジン
走行用エンジンとして、当初はキハ91形2 - 8に搭載されたDML30HSBを改良した DML30HSCを、付随車であるキサシ180形以外の各形式について各1基搭載し、以後増備の度に順次改良されてDML30HSD・DML30HSE・DML30HSFが搭載されたが、その基本設計に変更はない。
このエンジンは車載用ディーゼル機関の開発趨勢として、世界的に直噴式への移行が一般化しつつあった時期に、大規模な開発を行って新規設計された旧弊な予燃焼室式機関であり、熱効率に劣り（燃費が悪く高発熱）、しかも重量過大、と大出力達成の代償として様々な問題を抱えていた。
発電用エンジン
キハ80系では走行用のDMH17Hを発電用に転用したDMH17H-Gを先頭車（キハ81・82形）と食堂車（キサシ80形）に各1基搭載して編成の電力をまかなったが、本系列ではキハ90形で走行用として試験されたDMF15Hをデチューンの上で発電用に変更したDMF15HS-Gをキハ181形に各1基搭載する。
これにより、キハ80系では発電セット1セット当たり三相交流440 V/125 kVAであった給電能力が、キハ181系量産車では発電用機関の出力向上から三相交流440 V/180 kVAに増強され、1セットで5両分のサービス電源供給が可能となった。
変速機
キハ91形の設計を踏襲し、1段3要素充排油方式の液体式変速機のDW4C - DW4Eを搭載する。
これは直結1段・変速1段構成で、大出力による空転を防ぐ目的で1台車2軸駆動を実施する関係上、従来は台車枠から吊り下げられる最終減速機と一体であった逆転機が機関直結の変速機と一体化するように変更されているという特徴がある。また、機関のピストン往復方向への振動や大トルクによる変速時の動揺が車体に伝わることを遮断する目的で、機関を車体と弾性支持とし、台車側へも「反力軸」と呼ばれる反力吸収用の軸（トルクロッド）を推進軸と並行する形で変速機から出し、これを動力台車の機関寄り最終減速機と結合して支持することで、機関の動揺を車体側だけではなく台車側でも抑える、という対策が講じられている。
従来のTC2・DF115系の場合は45 km/hで変速 - 直結の手動切替を行っていたが、DW4系は大馬力エンジンによる太いトルクで空転が多発することを防止するため、低速ではすべりが大きく、中高速での効率をより重視した構成（トルクコンバーターのストールトルク比が小さい設定）となっており、85 km/h程度まで変速段で加速を行い、回転数を検知してマイクロスイッチよりクラッチが作動することで直結段に自動変速する自動切替となっている。このため、勾配線区で常用される速度域が伝達効率の低い変速段で占められることになり、また起動加速時には滑り損失の大きさから、攪拌による変速機油の温度上昇が大きくならざるを得なかった。これらに加え、自然通風式の屋根上放熱器による冷却系が、低速域では通風量の不足から冷却効率が著しく低下したことも、過負荷傾向の機関に追い打ちをかける結果となった。
もっとも、その一方で 85 km/h以上での高速走行時には、通風量の増大で冷却システムが有効に機能し、直結段で機関本来の性能がフルに発揮可能であるため、本系列はむしろ平坦線において85 - 120 km/hの速度域で電車に伍して走行するのに適している。なお最終減速比はキハ80系の2.613に対して、2.362と設定された。
冷却系
山岳線での運用主体ということもあり、中間車（動力車）については冷却ファンの駆動による走行用機関の馬力損失と騒音・振動を嫌い、また車両製造コストの削減を狙って自然通風式を採用した。このため、大型の放熱素子を並べた巨大な自然通風式ラジエーターを屋根上ほぼ車体全長に渡って搭載している。
もっともこのシステムは先行採用したキハ90系でも冷却能力の不足が解決できていなかった上に、夏場の高温下での運用試験が未了であったにもかかわらず、いわば「見切り発車」で採用されており、後述するように本系列が夏場を中心に急勾配線区で不具合を頻発する一因となった。
この冷却器は構造単純でかつ廉価であったが、その反面、冷却水量過大や車両重量の増加、それに重心高の引き上げという問題があった。また低速・高負荷状態での連続運転を強いられた山岳線区、中でも特に中央本線のような線区での運用時においては、通風量の不足と前述の変速段常用、それに機関そのものの高発熱特性などによる発熱過大が重なって起きた致命的な冷却能力不足と、これに起因する機関故障等が頻繁に発生した。こうした事情から、このシステムを含むキハ90以来の新系列気動車は客観的に見て決定的な失敗作であったと断じられている。
それゆえ、このキハ90系と同様の自然通風式冷却器搭載を踏襲した中間車については、冷却系の能力改善が特に強く要求された。これに対し国鉄技術陣は基本設計には抜本的な変更を加えず、不足する冷却能力の強化を目的として床下に油圧モーターによる強制通風式ラジエーターを追加搭載することで問題の解決を図った。これにより冷却能力不足については一定の改善が見られたが、油圧モーターのためのオイルポンプ駆動に伴って機関出力損失が発生し、また自重も増大した。
これに対し、キハ181形は発電セットを搭載するため、軸重の制限から重量面で不利な自然通風式が採用できなかった。このため、走行・発電の2基分のエンジンのラジエーターをまとめて運転台後部の車体両側面に装備し、屋根上の2基の静油圧駆動ファンによる強制通風を行った。こちらはトラブルが頻発した中間車とは異なり、冷却系の性能不足に起因するトラブルはほとんど発生しなかった。
台車
キハ90形・キハ91形で新規開発された延長リンク+ウィングバネ複合軸箱支持方式を採用する、DT36B・TR205B仮想心皿方式空気ばね台車が引き続き採用された。
これらは片側台車2軸駆動のために設計されたものであり、トランサム（横梁）中央を推進軸が貫通している。このため揺れ枕吊りとボルスタ（心皿）を廃して推進軸との干渉を回避し、荷重は左右の側梁中央直上に車体直結のダイアフラム式空気ばねを載せてここで受け止め、台車の首振りおよび牽引力の伝達は、空気ばねの横剛性（たわみにより台車の首振りを許容）と台車の枕梁と車体を直結するボルスターアンカーにより台車の位置決めをする仮想心皿方式を用いることで代替している。また、逆転機は変速機内装とされたため、動台車には最終減速機のみが各軸に搭載されている。
なお、延長リンク+ウィングバネ複合軸箱支持方式については延長リンクのスパンが過大で軸箱支持機構としての横剛性が低く、120 km/h運転時に1軸蛇行動が発生しやすいことが運用開始後に指摘されており、後述する台車枠交換時にペデスタル（軸箱守）で軸箱の上下動を案内するウィングばね構造に変更されている。
制御系
主幹制御器は専用品（固有形式名なし）を搭載し回転は横軸となっている。
これはキハ90系の設計を踏襲しており、電車と同等の自動進段を行うため、その制御信号は他の気動車各系列との互換性がなく、併結して総括制御を行えない。しかも、急行形として在来形気動車との併結の可能性を考慮せざるを得なかったキハ90系とは異なり、運用上キハ80系を含む在来形気動車との併結を一切考慮していない。
ただし、本系列の制御信号および電気連結器（後述）はキハ90系のそれと互換性があり、併結や混用も可能な設計となっている。このことは、運用開始直後の特急「しなの」での故障続出時に、車両不足をキハ91形で補うという形で有効活用された。
これを受けて、編成内の引き通し線の接続はキハ90系と共通の密着自動連結器下に取り付けられた専用の電気連結器のみを用いており、増解結などによる編成組み替えが容易になっている。
ブレーキ
常用ブレーキシステムは、同時期の国鉄気動車で一般的なシステムであったDA系自動空気ブレーキや、国鉄電車で標準採用されていた応答性に優れたSED系電磁直通ブレーキではなく、軽量化を目的として機器構成が簡素な、三圧力式制御弁を用いるCLE系電磁自動空気ブレーキ（C16B）を採用しており、それを作動させるためのC16Bブレーキ制御装置を各車に搭載している。運転席にはセルフラップ方式のSE16Aブレーキ弁を採用しており、ハンドルの回転は横軸となっている。
また、常用補助制動装置として機関ブレーキ（エンジンブレーキ）を備えている。機関ブレーキは3ノッチあり、マスコンを切位置にして左側に倒すと1ノッチ位置となり、2ノッチまでの機関ブレーキが掛かるようになっており、40 km/h以下になると機関ブレーキは開放される。量産先行車では基礎ブレーキ装置に踏面ブレーキを採用したが、高速運転時のフラット対策と踏面ブレーキ使用による、車輪踏面の損傷が発生したため、量産車（キロ180-3 - ・キハ181-5 - ・キハ180-7 - ・キサシ180-3 - ）以降はその対策として、油圧式車輪ディスクブレーキに変更している。
四国地方での運用
1972年（昭和47年）3月の山陽新幹線岡山開業で四国に初めて特急「しおかぜ」3往復、「南風」1往復が設定された。これにあわせてキハ181系の最終新製車26両が高松運転所に配置された。
1975年（昭和50年）3月には「しなの」の全面電車化による余剰車8両が転入し、キロ180-1がキロ180-151に改造されて「南風」2往復が増発された。同年11月、「つばさ」電車化に伴う余剰車8両が転入し、キロ180-7がキロ180-152に改造されて1977年（昭和52年）に「しおかぜ」1往復が増発された。
1986年（昭和61年）には、後に改造グリーン車になる車掌室付キハ180形2両が転入、配置車両は44両となった。同年11月のダイヤ改正でキハ185系がデビューし、「しおかぜ」が大増発された。予讃本線多度津以西の速度向上により高松 - 松山間の最高運転速度は95 km/hとなった。またキハ181系の編成は7両、6両から5両に短縮された。キハ180形からの改造でキハ181-102・103、キロ180-201・202が登場した。
1987年（昭和62年）3月のダイヤ改正で高松 - 松山間の最高運転速度は110 km/hとなり、所要時間が最速で2時間40分台から2時間30分台に短縮された。キハ180形から改造されたキハ181-104・105が登場し、キロハ180形やアコモ改良車も翌年にかけて順次登場していった。
JR四国所属車両の変遷
1988年（昭和63年）4月には本四備讃線（瀬戸大橋線）が開業し、「しおかぜ」、「南風」は岡山発着となり、島内運行の列車は新たに「いしづち」、「しまんと」となった。この瀬戸大橋線開業で「しおかぜ」と「南風」の需要は激増したため編成の増結が実施され、車両の不足分については1990年（平成2年）までの繁忙期にはJR西日本からキハ180形を最大3両借り受けて対応した。
1989年（平成元年）3月、瀬戸大橋上の一部区間で減速運転が開始される一方で、瀬戸大橋線児島 - 宇多津間と土讃線多度津 - 阿波池田間の最高運転速度が120 km/hとなった。また、同時期に2000系「TSE」が営業運転を開始した。同年7月に土讃線阿波池田 - 高知間の最高運転速度が120 km/hとなり、「南風」の所要時間が約10分短縮された。
1990年（平成2年）11月、「宇和海」、「あしずり」を新設し、当系列の「南風」の運用が無くなる。2000系量産車が落成し、予讃線高松 - 宇和島間の最高運転速度は120 km/h（一部は110 km/h）、土讃線高知 - 窪川間の最高運転速度は110 km/h（一部は120 km/h）となった。またこの頃から繁忙期に「しおかぜ」、「いしづち」で8両編成中4両（1両目と6 - 8両目）がキハ181形、2両がキロハ180形（2・3両目か3・4両目）という編成が見られるようになる。
1991年（平成3年）11月、2000系の増備で余剰となったキハ180形2両が廃車された。キハ181系が使用される「しまんと」、「あしずり」は時刻表上では3両編成になっていたが、全ての運用でキハ180形1両の増結が実施されたため、実際には3両で運転されたことはなかった。
1993年（平成5年）3月、予讃線高松 - 松山 - 伊予市間の電化完成で定期運用が無くなり、普通車のみの5両編成2本、計10両を残して廃車となった。同年10月21日から11月9日にかけて香川・徳島両県で開催された東四国国体秋季大会開催時期に臨時運用で、高徳線高松 - 徳島間「うずしお」の定期列車2往復が7両もしくは5両で運転された。この臨時運用で運転された「うずしお」がJR四国所有のキハ181系の特急列車としての最終運行であった。同年11月14日、団体列車「どんぐり号」に使用され、これがJR四国所属のキハ181系によるラストランとなった。これらの車両も国体終了後の1993年（平成5年）内に全車廃車となったが、その後トップナンバーであるキハ181-1とキハ180-1が「しなの」ゆかりの東海旅客鉄道（JR東海）に引取られ、このうちキハ181-1は佐久間レールパークに静態保存され、キハ180-1は四国色のまま美濃太田車両区にて保管されていたが、2013年（平成25年）3月に名古屋工場に陸送され解体された。さらにキハ181-1は、2011年（平成23年）3月に開館した「リニア・鉄道館」へ移設のうえ、展示されている。
JR西日本所属車両の変遷
1987年（昭和62年）4月のJR西日本発足時点では、特急「あさしお」、特急「はまかぜ」、特急「おき」、特急「いそかぜ」で運用されており、翌1988年（昭和63年）3月には、特急「くにびき」が新設された。
1994年（平成6年）3月には智頭急行線経由で新設された特急「はくと」に投入されたが、1997年（平成9年）11月29日のダイヤ改正でHOT7000系気動車の増備により特急「はくと」の定期運用から撤退した。このため、捻出された車両のうち3両編成3本9両（キハ181-12・17・20・22・24・47 キハ180-31・41・42）が鳥取鉄道部西鳥取車両支部に転属し、同時に新設された智頭急行線経由の特急「いなば」3往復に充当した。
また、1996年（平成8年）3月の山陰本線園部 - 福知山間電化による特急ネットワークの再編で「あさしお」が廃止となり、急速に定期運用が減少していった。同時に鳥取 - 米子間で新設の「いなば」も投入されたが、翌1997年（平成9年）に「いなば」は「くにびき」に統合された。
2001年（平成13年）7月7日のダイヤ改正でキハ187系気動車の増備により特急「おき」・「くにびき」の定期運用から撤退し、「いそかぜ」が山陰本線益田以西に運転区間が短縮されたため、後藤総合車両所所属の車両のうち、引き続き特急「いそかぜ」で運用するために必要な3両編成2本6両（キハ181-8・28・31・32 キハ180-10・17）が下関地域鉄道部下関車両管理室に転属し、それ以外の車両が廃車となった。なお、これに伴ってキハ181系を利用したリバイバルトレインも多く企画されることになった。また、下関の車両は広島 - 下関間の臨時快速列車「下関ふくフク号」、「関門・MUSASHI号」にそれぞれ専用ラッピングを施し使用された。
2002年（平成14年）春より姫路方面から伊勢市・鳥羽方面への修学旅行列車がキハ58系より京都総合運転所所属のキハ181系6両に変更されている。また、この年にキハ181系を使用した初のリバイバル企画として「リバイバルやくも」が運行された。これに続いて同年6月にはJR四国で初のリバイバルトレイン「南風」（高松 - 高知間）、「しおかぜ」（高松 - 松山間）に使用され、さらに11月には「うずしお」（高松 - 徳島間）、「いしづち」（徳島 - 阿波池田 - 多度津 - 松山間）、「しおかぜ」（松山 - 高松間・高松 - 宇和島間）、「I LOVE しまんと」（宇和島 - 高知間）、「南風」（高知 - 高松間下り1本・上り2本）がキハ181系で運行され四国一周運行した。
2003年（平成15年）10月1日のダイヤ改正でキハ187系気動車の増備により特急「いなば」の定期運用から撤退したため、鳥取鉄道部西鳥取車両支部所属の3両編成3本9両のうち5両（キハ181-12・22・47、キハ180-41・42）が京都総合運転所に転属し、残り4両（キハ181-17・20・24、キハ180-31）が廃車となった。
2005年（平成17年）3月1日のダイヤ改正で特急「いそかぜ」が廃止となったため、下関地域鉄道部下関車両管理室所属の3両編成2本6両が予備車となり、のちに全て廃車となった。これに伴いこの年まで盆や正月などの多客時の臨時便として運転されていた松江 - 新山口間の「おき」での運用も消滅し、山陰地区へ乗り入れる本系列は「はまかぜ」1往復のみとなった。
定期運用が特急「はまかぜ」のみとなって以降も、京都総合運転所所属の波動用キハ58系の全廃に伴い、天理教関連などの団体臨時列車等にも充当されていた。このため、前述した関西方面から伊勢方面の修学旅行臨で参宮線にも入線するなど、すでに両数的には系列として消滅寸前の状況にあっても、運用範囲は新たに拡大していた。
晩年期の「はまかぜ」の運用は、221系電車や223系電車などの高性能電車が新快速として飛び交う山陽本線を全力疾走した後、播但線で中国山地を超えるという、キハ181系設計当時に想定された運用そのものであった。播但線は所謂陰陽連絡路線の中では比較的線形がよく、車体傾斜による恩恵が期待できなかったことから、キハ187系への置き換えは見送られた。その状況下、遅延などを生じるケースはあったものの、致命的な事故・故障は起こさなかった。
2007年（平成19年）には京都総合運転所に26両が在籍するのみとなっていた。全車JR西日本カラーに変更され、特急「はまかぜ」として運用されてきたが、2010年（平成22年）11月7日から最高速度130 km/hの性能を持つ新形車両であるキハ189系が投入され、11月6日をもって定期運転を終了した。定期運転終了後も一部は「かにカニはまかぜ」に使用されたが、こちらも2010年（平成22年）12月23日をもって終了した。
キハ181系の完全引退を記念し、日本旅行が企画・募集する「ありがとうキハ181系号」ツアー（さよなら運転）が2月26日に京都 - 米子間、27日に米子 - 京都間で運転された。
これら京都総合運転所に残っていたキハ181系は2011年（平成13年）3月25日までにすべて幡生（下関総合車両所）へ回送されている。特に、3月24日と25日の運転分は、ヘッドマークや方向幕が取り付けられた。後述の譲渡分は車籍が残されていた。
また、キハ181-12が津山まなびの鉄道館（旧津山扇形機関車庫）に保存されることが、正式にアナウンスされた。国鉄特急色に塗り替えられて保存される。
2012年（平成24年）2月9日までに15両がミャンマーに譲渡される。前日の2月8日までに全車とも廃車され、廃系列となった。
ミャンマー国鉄での現状
2012年2月9日までにミャンマー国鉄に15両（キハ181形5両、キハ180形8両、キロ180形2両）が譲渡された。ミャンマーでは冷房装置を搭載した列車として竣工しており、改造により中間車屋根上に搭載されていたエンジンの自然通風式ラジエーターが撤去され、屋根上にある冷房装置取付部が低屋根化された。そのため客室内ではその部分の天井が低くなっており、それ以外はほぼ原型を保っている。すべての車両に空調が完備されている列車としては、ミャンマー国鉄では初めてのことである。
ミャンマー国鉄での車番は、全車が500馬力級の出力を持つ事からRBE5000番台に付番され、RBE5029 - 5043が該当する。
15両中5両は、当初よりヤンゴン環状線に投入された。別の5両は観光列車用に改造され、2013年9月7日からヤンゴンと南東部の著名な仏塔がある観光地「チャイティーヨー・パゴダ」の最寄り駅であるチャイトーの間を結ぶ、週末の観光客向けの列車として運転を開始した。残りの5両は予備車である。
チャイトーへの列車は2014年12月28日をもって運行を停止しており、2015年1月3日からは、全車がヤンゴン環状線用のエアコン付特別列車である「エアコンヤター」に転用された。
事故廃車
1975年（昭和50年）9月4日、奥羽線秋田 - 四ツ小屋間で上りつばさ2号の脱線事故があり、「つばさ」が485系での電車化が予定されていたことから、キハ181-13・35、キハ180-11の3両が翌1976年（昭和51年）1月17日付で除籍となった。