国鉄EF62形電気機関車
外観
重連運転も考慮した結果F級の新系列電気機関車としては初めての貫通式運転台を採用した。運転台窓はパノラミックウィンドウであり、先行するEF60形・EF61形同様にやや傾斜しているが、正面貫通扉を垂直に配置する関係で、幕板が庇状にやや突き出した体裁であり、窓回りに凹みが生じている。運転席正面ガラスにはデフロスタが取り付けられる。幕板両側に2灯のシールドビーム式前照灯が設置された。
軽量化のため、側梁を強化することで中梁を廃止し、側面裾部が車体両端部分より一段下がった形態である。
塗色は当初、茶色（ぶどう色2号）一色であったが、のち青15号を基調に前面腰部をクリーム1号とする直流機標準塗色となった。
電動発電機
直流1,500Vを単相交流1,440Vに変換して使用する出力320kVAの電動発電機 (MG) を搭載し、これによって客車の電気暖房を可能とした。またMG使用停止中に軸受け損傷を防止する観点から平軸受が採用された。
列車無線
EF63形と協調運転を行う関係上、本形式には当初から150kHz帯の誘導無線が装備されていたが、この方式はトンネル区間を中心に雑音が問題となり、横川機関区や駅との連絡をも可能とするため本形式とEF63形には1975年から沿線に敷設した専用の漏洩同軸ケーブルを使うUHF400MHz帯の列車無線を装備、第2エンド運転室側面と屋上にアンテナを設置した。この無線には1980年代に入り異常時に他列車への連絡を可能とする防護無線の機能を追加、1990年以降は山岳区間での通信を確実にするため、第1･第2エンド側双方の運転席前に通称C'アンテナと呼ばれる八木アンテナ製のコーリニアアレイアンテナが取り付けられた。また、碓氷峠以外の区間で用いる列車無線も1986年以降順次取り付けられ、アンテナを運転室屋上に設置した。
派生形
本形式は勾配線区に適した設計ではあったが、碓氷峠通過に最適化された主電動機特性と歯数比ゆえに高速性能などに難があった。また、3軸ボギー台車も軌道への影響や特に曲線走行時に生じる横圧などの面からは決して好ましいレイアウトではなかった。
そのため1964年（昭和39年）に開発され奥羽本線板谷峠に投入されたEF64形は、勾配線用機関車として発電ブレーキを搭載することなどは本形式を踏襲したものの碓氷峠用の特殊装備を省略し、2軸ボギー台車装備として軸配置を標準の「Bo-Bo-Bo」に変更、歯数比も高速寄りに変更 (1:4.44 → 1:3.83) している。こちらは汎用性のある設計ゆえ多くの線区に適応し大量に増備された結果、2012年現在0番は減少傾向ではあるものの、1000番台については多くが運用されている。
製造年次別概説
メーカーは川崎車輛（現・川崎重工業車両カンパニー）+川崎電機（現・富士電機）・汽車製造+東洋電機製造・東芝の5社3グループである。
信越本線
碓氷峠の粘着運転移行に先立ち、本形式およびEF63形各1両が1962年に試作された。横川側の丸山信号場付近を複線化し1年間近くをかけて試験を行い、その結果は量産型にフィードバックされた。
1963年初めから第1次量産型の製造が開始され、1963年7月 - 10月の碓氷峠粘着運転切り替えに伴って営業運転に投入された。
横川から軽井沢までの登坂はアプト式時代には42分を要したが、新線切り替えならびに1966年の複線化後は旅客列車で軽井沢方面行きの登坂列車が17分、横川方面行きの降坂列車が24分に短縮された。輸送定数も増加し、本形式1両で牽引する列車にEF63形2両で推進運転を行った場合で貨物列車なら400tまで牽引可能となった。
なお、当初は本形式とEF63形を1両ずつ使用することで定数320tの貨物列車または最大実荷重360tの旅客列車を、EF63形を2両と本形式を1両使用する場合は定数500tの貨物列車または最大実荷重550tの旅客列車を牽引する予定であった。
当初は高崎第二機関区（現・高崎機関区）・篠ノ井機関区（現・塩尻機関区篠ノ井派出）に配置され、急行列車を含む旅客列車・貨物列車で高崎 - 長野間が直通運転可能な運用がされた。1966年の信越本線直江津電化では同駅まで、さらに1969年の宮内電化では、新潟までの広域運用も行われたほか、1968年10月のダイヤ改正からは高崎以南でも本格的に運用されることとなり、上野まで旅客列車を牽引するようになった。
しかし1970年代に入ると、動力近代化計画によって急行「白山」の489系特急格上げや信越本線客車普通列車も80系や115系への電車化が進展し、1982年の上越新幹線開業ダイヤ改正では普通列車完全電車化により、旅客列車牽引は夜行急行の「妙高」「越前」「能登」ならびに臨時団体列車のみとなり、本形式の運用は貨物列車牽引が主となった。
1975年（昭和50年）10月28日、EF63形2両と本形式2両の回送列車が軽井沢 - 横川間で速度超過による暴走脱線転覆事故を起こし、本形式は12・35が大破し初の廃車となった。原因はブレーキ故障と推測され、これ以降はさらなる安全設備の強化が図られた。
碓氷峠の貨物廃止
碓氷峠越えは、粘着運転への切り替えが行われても相変わらず信越本線最大のボトルネックであった。貨物列車重量は400tに制限され、横川や軽井沢では編成の分割、組み替えが必要なほどであった。このため、関東・北陸間の貨物列車については、非効率な信越本線経由が避けられ、遠回りだが緩勾配で格段に輸送条件の良い上越線経由ルートが一般化した。
1984年2月のダイヤ改正では対長野県向けの貨物列車も中央本線・篠ノ井線経由に統一されることとなり、碓氷峠越え区間を含む信越本線安中 - 小諸間の貨物輸送は廃止された（その後国鉄分割民営化と相前後して小諸 - 田中間も廃止）。碓氷峠通過がなければ、信越本線での貨物列車牽引にはEF65形やEF64形などの一般的な構造で速度も高い機関車を用いることができるため、特殊機の本形式は余剰化した。
国鉄末期の荷物列車運用
1980年代前半、東海道・山陽本線で荷物列車牽引に運用されていたEF58形は老朽化が進み故障も多発し、代替機関車が必要となった。
荷物列車は乗務員用の暖房熱源供給が必要で、暖房用ボイラーか電気暖房用交流電源を必要とする。当時の国鉄直流機関車では、SG搭載のEF61形は絶対数が不足するうえに駆動系統のトラブルも多いほか、SGから出た蒸気・水の影響による車体の老朽化も起こっており、東海道・山陽線主力車のEF65形は暖房供給装置を搭載していないため冬期の運用に難があった。一部に電気暖房電源搭載車のあるEF64形は運用線区の関係から転用できる余剰車がなかった。
当時の国鉄の財政状況では新造機関車などおよびもつかず、EF81形の進出で多数が休車となっていた交流機EF70形を直流化改造し代替車に充てる計画も浮上したが、上述の碓氷峠での貨物列車廃止に伴い、電気暖房用電源を搭載した本形式に余剰車が発生することが判明したため、費用節約の観点から転用されることになった。この計画は1983年秋に国鉄本社運転局から発表された。
当時の荷物列車の牽引にあたっていたEF58形は、東京機関区・浜松機関区・米原機関区・宮原機関区に所属していた。1984年2月1日ダイヤ改正では、荷物列車の受持ちを下関運転所に移管し、運用の効率化を図るとともに本形式を下関に転属させてEF58形を置き換える計画であった。ただし、ダイヤ改正までは信越本線碓氷峠でも貨物運用があることや乗務員・検修の訓練が必要であることから、同年3月28日の仕業までは下関に転属および貸し出されたEF58形が代走することとなった。高崎第二機関区から下関には26両（4・13 - 34・36 - 38号機）が転入した33。
乗務員・検修の訓練が終了し、同年3月25日から順次本形式は運用入りとなり、同月29日までにEF58形を完全に置き換え、汐留 - 下関間の荷物列車運用に投入された。運用開始直後はほぼ信越本線運用時のままで使用されたが、荷物車の入換を行う際に支障となる電気暖房用KE3形ジャンパ連結器の移設などの小改造が同年9月から順次行われている。山岳路線での牽引力重視設計で、定格速度が39.0km/h（全界磁）に設定された低速機であったため、平坦区間主体の東海道・山陽本線での運用では高負荷運転による主電動機のフラッシュオーバーが発生するも対応策を取ることによりそれほど大きな問題にはならなかった。東海道・山陽本線の臨時客車列車牽引にも荷物列車運用の間合いを生かして本形式が充当されることとなり、当時の団体臨時列車に多用された12系や14系、20系のほか、スロ81系や国鉄末期に改造の相次いだジョイフルトレインも牽引している。
転用からわずか3年も経過しない1986年11月1日ダイヤ改正で国鉄の荷物列車自体が廃止されることになったため、東海道・山陽本線に転じた本形式は余剰となった。急行「銀河」の米原 - 大阪間の牽引機に転用する案も浮上したが実現せず、1987年4月の国鉄分割民営化までにすべて廃車された。また、信越本線でも1985年以降夜行急行「妙高」の電車化と荷物列車廃止、貨物列車のさらなる削減が行われただけでなく、中央本線・篠ノ井線で運用されているEF64形に余裕が生じたこともあって、篠ノ井機関区に所属する本形式も後述する田端運転所への転属車を除き同時期に廃車となっている。
分割民営化後
国鉄分割民営化時には、本来の信越本線で運用されていた41・43・46・49・53・54の6両が東日本旅客鉄道（JR東日本）に継承され田端運転所配置とされた。
唯一の定期運用は夜行急行「能登」と間合い運用となる黒井 - 二本木間の貨物列車牽引であり、その他は波動輸送に伴う碓氷峠を通過する臨時列車の牽引であった。
「能登」と貨物列車の定期運用は1993年3月18日のダイヤ改正で489系電車に置換えられたことで消滅し、49・53が廃車になった。以後は波動輸送対応のみとなるが、北陸新幹線先行開業区間の建設工事では軽井沢へのレール輸送列車を牽引した記録がある。
最終的に稼働状態で残ったのは43・46・54の3両で、横川 - 軽井沢間廃止直前には同線の廃線を記念した臨時快速「さよなら碓氷峠号」「さよなら碓氷峠レインボー号（スーパーエクスプレスレインボーで運転）」「浪漫」「江戸」といったジョイフルトレインや旧型客車などの牽引に投入された。
1997年の碓氷峠区間廃止後には、EF63形の廃車回送や年末には上越線でのイベント列車の牽引に投入されたが、観光列車の電車への置き換えなどによって1998年8月から順次廃車され、1999年1月4日付で54が廃車され本形式は廃形式となった。