西武3000系電車
外観
前述の通り、新101系・301系類似の全金属製構体である。前面形状も同様に前面窓周りを一段凹ませた「額縁構造」とし、額縁の内側を黒塗装仕上げとした、いわゆる「湘南型」の亜流と評される折妻傾斜型・非貫通構造の2枚窓形状を踏襲した。ただし、本系列においては前面窓間柱（センターピラー）が省略されたことにより前面窓周りの凹みが新101系・301系の2分割形状から一体形状に変化したほか、前面左側の窓下部にステンレス製の車番表記が追加されたため、若干印象が異なる。構体主要寸法は新101系・301系と同一であるが、台車中心間隔（ボギーセンター間隔）のみ新101系・301系の13,600mmに対し、本系列においては2000系と同一の13,800mmとした。
側面形状も新101系・301系と類似するが、新101系・301系においては各側窓が独立した形状となっていたものを、本系列においては側窓2枚を1組としてユニット窓風の見付とした、601系電車以前の通勤形車両における標準的形態に回帰した構造が採用された点が特徴である。その他、戸袋窓の固定支持方式を従来のHゴム固定支持から金属枠固定支持に改良して保守の省力化が図られたほか、幕板部には西武において初の採用例となる側面行先・種別表示器が設置された。客用扉は1.300mm幅の両開扉で、従来車と同様に車内外の塗装・装飾が省略されたステンレス無地仕様である。側面の戸閉表示灯は2000系3次車以降において採用された縦長形状を踏襲した。窓配置は制御車クハ3001形がd1(1)D(1)2 2(1)D(1)2 2(1)D(1)2（d：乗務員扉、D：客用扉、数値は側窓の枚数、カッコ内は戸袋窓）、中間電動車モハ3101形（3100番台・3200番台・3300番台共通）が2(1)D(1)2 2(1)D(1)2 2(1)D(1)2である。
車体塗装については101系列の仕様を踏襲し、イエロー地に側面窓周りをベージュとした2色塗りが採用された。
内装
壁部にライトブラウン系のスパークロス（布地）模様の化粧板を採用し、新101系・301系のベージュ系のコルク模様の化粧板と比較して明るく柔らかな印象を与えるものとした。座席はロングシート仕様で、座席表皮（モケット）は従来通りレンガ色とした。本系列においては座面高さを従来より10mm低くして居住性の改善を図ったほか、座席寸法を若干延長し1人当たりの占有幅を従来の400mmから430mmに拡大した。
車内天井部については、冷房装置からの冷風吹出口を従来のスポット型からラインフロー型に変更し、冷風が均一に流れるよう改良が加えられた。また、補助送風機であるラインデリアについても薄型の新機種に変更され、製品自重の軽量化による省エネルギー化を図った。
運転機器等
運転台の機器配置は新101系・301系に準じ、主幹制御器（マスター・コントローラー）およびブレーキ制御器がそれぞれ独立したツーハンドル仕様である。本系列においては回生制動を装備したことから運転台パネル内の電流計がゼロ点を中央に設定したゼロセンタータイプに変更されたほか、空気制動が新101系・301系の電磁直通ブレーキ (HSC) から電気指令式ブレーキ (HRD-1) に変更されたことに伴って、直通管圧力・制動管圧力を表示する計器が不要となったことから、運転台パネル内の圧力計は元空気溜め圧力・制動筒（ブレーキシリンダ）圧力を表示する計器1基のみとなり、空いたスペースには4種類の故障表示灯が新設された。また主幹制御器およびブレーキ制御器については2000系と同一機種を採用した。
行先種別表示器は前面・側面とも指令装置による電動式であり、行先設定用と種別設定用の二つのダイヤルによって行先・種別を設定する指令装置を飯能・西武新宿寄り先頭車（クハ3001形奇数車）に装備する。前面表示は行先幕40コマ・種別幕10コマ仕様で、側面表示は行先・種別を1枚の幕で表示する60コマ仕様である。
主要機器
前述の通り、主要機器については極力2000系と共通化し、保守の簡易化ならびに導入コスト低減を図った。もっとも、行先表示器および放送機器の仕様が異なることから本系列と2000系との併結運転は不可能であり、また本系列同様に3扉構造である101系列との併結運転も性能特性ならびに制動装置が異なるため不可能である。
中間電動車は2両を1ユニットとし、モハ3101形奇数車に制御装置・抵抗器などの走行関連機器を、同偶数車に電動発電機 (MG) ・電動空気圧縮機 (CP) などの補助機器をそれぞれ分散して搭載するが、モハ3200番台の偶数車は補助機器の容量の都合からそれらを搭載せず、自重も他車の40tに対して35tと異なる。
制御装置
日立製作所製の電動カム軸式抵抗制御・直並列組合せ制御および界磁チョッパ制御装置MMC-HTR-20Eを採用し、中間電動車モハ3101形奇数車に搭載する。同制御装置は電動車2両分・計8基の主電動機を、4基直列繋ぎの2群として直並列制御を行う1C8M制御仕様である。制御段数は弱め界磁起動1段・直列13段・並列11段で、並列最終段において主電動機の全界磁定格速度に達した後、界磁チョッパ装置による他励界磁制御（弱め界磁制御）領域に移行する。
主電動機
界磁チョッパ制御による回生制動を実装するため、2000系と同様に複巻電動機を採用し、電動車1両当たり4基搭載する。搭載する主電動機は日立製作所HS-835-Frb・HS-835-Hrbもしくは東洋電機製造TDK-8030-A・TDK-8030-Bの4機種が存在するが、定格出力130kW（端子電圧375V・電機子定格電流385A・他励界磁電流24A・定格回転数1,450rpm）の特性はいずれも同一である。駆動方式は撓み板継ぎ手式中空軸平行カルダン、歯車比は5.31 (85:16) と2000系の仕様を踏襲した。
台車
住友金属工業製のペデスタル式台車FS372A（動力台車）・FS072（付随台車）を採用し、前者を中間電動車モハ3101形が、後者を制御車クハ3001形がそれぞれ装着する。いずれも101系列の導入以来、西武における標準台車として数多くの導入実績を有するダイレクトマウント式空気ばね台車であり、2000系が装着する台車と同一機種である。両台車とも固定軸間距離は2,200mm、軸受部の構造は密封型コロ軸受仕様である。また両台車とも製造時期によって揺れ枕部分の形状が異なり、側面から見て向かって左上の欠き取りが小さなものが1983年（昭和58年）以前に製造された前期型、欠き取りが大きなものが1983年（昭和58年）以降に製造された後期型である。
3001 - 3005編成はFS372A（前期型）を装着して落成したが、クハ3001 - 3006は1985年（昭和60年）にFS072（後期型）を新製し台車交換が実施された。同6両より発生したFS372A（前期型）は2000系クハ2410・2412・2414・2416に転用されたほか、VVVFインバータ制御の実用試験車に改造された101系モハ145・146に装着された。また3011編成は制御車2両が新製したFS072（後期型）を装着するのに対し、中間電動車6両は予備品であったFS372A（前期型）を装着する。さらに前述2000系クハ2410が台車交換以前に装着したFS072（前期型）については、しばらく保管された後にクハ3017の新製に際して活用されたため、3017編成においては同車のみが前期型台車を装着する。
制動装置
日本エヤーブレーキ（現・ナブテスコ）製の応荷重装置付・回生制動併用電気指令式電磁直通ブレーキHRD-1Rである。
集電装置
当時の西武における標準機種である、工進精工所製の菱形パンタグラフKP-62Aを採用し、モハ3101形奇数車に1両当たり2基搭載する。
補助機器類
電動発電機 (MG) は、電力入力側・出力側ともに従来の直流電動機に代わって三相同期電動機を用いて整流子（ブラシ）を廃したブラシレスMG (BLMG) を採用した。日立製作所HG-77445-01Rもしくは東洋電機製造TDK-3350-Aをモハ3101形偶数車のうちモハ3100番台・モハ3300番台に1基、1編成当たり2基搭載する。定格容量はいずれも140kVAである。
電動空気圧縮機 (CP) は、日本エヤーブレーキ製のHB-2000CB（定格吐出量2,130L/min）を、MGと同様にモハ3101形偶数車のうちモハ3100番台・モハ3300番台に1基、1編成当たり2基搭載する。
冷房装置は外装カバー（キセ）をステンレス製とした三菱電機製の集中式CU-71Cを1両当たり1基、屋上に搭載する。
連結器
先頭車の前頭部寄りのみ回り子式密着連結器を採用し、中間連結部分はボルト固定による半永久連結器が採用された。前述のように本系列は他系列との併結運転が不可能であり、また2両編成などの増結用編成も存在しないことから、電気連結器の装備は省略された。連結器胴受部分については、検修時における着脱作業を簡易化する目的で、枕木方向（横手方向）に設置されるチャンネル材について従来の直線形状から山形（凸形）形状に改良した。また後年、先頭車前面下部に排障器（スカート）を新設した。
運用
初回に導入された1次車3編成24両は東急車輛製造において新製され、当初より8両編成で落成した。当初1次車は5編成40両を導入する予定であったが、自社工場である西武所沢車両工場における生産稼働率確保を目的として計画が変更され、本系列の製造予算の一部を301系2編成16両分に振り分けたという経緯を有する。2次車以降は西武所沢車両工場において新製され、同工場の生産能力の都合上いずれも4両（クハ3000-モハ3100-モハ3100-クハ3000）の暫定編成で落成したのち、追って落成した中間車4両（モハ3200-モハ3200-モハ3300-モハ3300）を組み込んで8両の正規編成とする手法が採られた。
1988年（昭和63年）以降の新宿線系統において従来車の代替目的で新2000系が大量増備され、4扉構造の車両（以下「4扉車」）が主流となったのちも、池袋線系統においては依然として3扉構造の車両（以下「3扉車」）が主流であり、新宿線系統へ新2000系を新製導入し、余剰となった3扉車を池袋線系統へ転属させるパターンが定着しつつあった。しかし、ラッシュ時における混雑率緩和ならびに乗降時間短縮のためには4扉車の導入が不可避であり、1990年（平成2年）1月に2000系を用いて実施された試験運用を経て、翌1991年（平成3年）より池袋線系統においても新2000系の導入が開始された。同年には地下鉄有楽町線直通用車両である6000系電車の新製が開始され、新2000系とともに池袋線系統へ導入された結果、余剰となった3011 - 3017編成の計4編成が1992年（平成4年）8月から翌1993年（平成5年）6月にかけて順次新宿線へ転属した。落成当初より池袋線系統でのみ運用された本系列であったが、以降新宿線系統においても運用された。
その後、新製当初白地幕であった行先・種別表示幕について黒地幕への交換が実施されたほか、101系列と同様に塗装行程の簡略化を目的として車体塗装のイエロー1色塗装化が1999年（平成11年）より順次実施された。行先・種別表示幕については2008年（平成20年）6月のダイヤ改正を機に再度交換され、行先・種別ともローマ字併記仕様に変更された。なお、2000系・新2000系において施工された母線引き通しによる編成内パンタグラフ半減化、および種別・行先表示器の発光ダイオード (LED) 化を実施された編成は、本系列は存在しない。
2010年（平成22年）8月に3005編成が、同年11月には3007編成が、横瀬車両基地において中間電動車1ユニット2両（モハ3200番台）を編成より外し、6両編成に短縮された。同2編成は池袋線に所属していたが、3005編成は同年9月24日付、3007編成は12月22日付で新宿線へ転属し、国分寺線で運用されていた。同2編成より外されたモハ3205・3206およびモハ3207・3208は、前者が同年8月12日付で、後者が11月11日付でそれぞれ除籍され、いずれも解体された。
2012年（平成24年）12月22日時点では、3001編成・3003編成・3011編成・3013編成の8両編成4本が池袋線に、3009編成・3015編成・3017編成の8両編成3本および3005編成・3007編成の6両編成2本が新宿線にそれぞれ所属し、各駅停車を中心に運用されていた。2013年度からは30000系10両固定編成の新造が開始されており、8両編成が廃車となる予定と発表された 。同年度内に3001編成、3003編成、3013編成、3015編成、3017編成の8両編成5本、40両が廃車・除籍された。
2014年度には6両編成となっていた3005編成が2014年（平成26年）9月20日付で廃車され、同じく6両編成となっていた3007編成が11月28日付、3011編成は12月25日付、3009編成は12月26日付で廃車され、同年12月をもって廃形式となった。なお、廃車となった3007編成6両および3009編成のうち6両は近江鉄道に譲渡された（現在、高宮駅構内に留置中）。
ラッピング編成
2009年（平成21年）5月に3011編成が、2010年（平成22年）7月には3015編成が、それぞれ大々的な特殊装飾が施されたラッピング編成となった。同2編成はいずれも池袋線に配属され、他編成と区別されることなく一般運用に供されていた。
『銀河鉄道999』デザイン電車
3011編成は、車体全体に松本零士の漫画『銀河鉄道999』に登場する主要キャラクターであるメーテル・星野鉄郎・車掌のイラストをあしらった「銀河鉄道999デザイン電車」として、2009年（平成21年）5月1日より運行を開始した。「銀河鉄道999デザイン電車」は、松本の地元駅である大泉学園駅の発車メロディを『銀河鉄道999』の映画版主題歌であるゴダイゴの楽曲「銀河鉄道999」に変更し、同駅構内に「車掌」像を設置したことに続くもので、アニメ産業の振興ならびにアニメを活用した地域活性化を目指す練馬区と沿線価値向上を図る西武側とのタイアップにより企画されたものである。
なお、3011編成は2009年（平成21年）2月の定期検査出場に際して、側面車番表示を切り抜きプレート表記からステッカー表記へ変更したほか、旧社章プレートを撤去し、ラッピング編成化の下準備が実施された。
当初は2009年（平成21年）5月から2013年（平成25年）4月まで4年間運行予定だったが、2013年3月時点で運行期間を2014年（平成26年）12月まで延長することを発表し、その後2014年12月20日に西武球場前駅で開催された「さよなら銀河鉄道999デザイン電車イベント」を最後に運用を終了し、そのまま廃車された。廃車後はクハ3012・モハ3212・クハ3011の3両が横瀬車両基地に保管されており、2015年から「西武トレインフェスティバル in 横瀬」で公開されている。2016年10月からは20000系20158編成が2代目として運用されている。
ライオンズデザイン電車「L-train」
3015編成は、車体塗色を西武鉄道が保有するプロ野球球団・埼玉西武ライオンズのチームカラーである「レジェンドブルー」と称する濃紺とし、前面ならびに側面車端部を始めとした車体各部にチームロゴをデザインした「ライオンズデザイン電車」として、2010年（平成22年）7月10日より運行を開始した。「ライオンズデザイン電車」は西武鉄道と埼玉西武球団のタイアップにより企画され、チームカラーおよびチームロゴを施した車両を導入することによって埼玉西武ライオンズと沿線住民との一体感を高めることを目的としたものである。また、側面の一部（客用扉間の腰板部）については宣伝広告スペースとして用いることとした。同編成は運行開始後に愛称を一般公募し、選考の結果「L-train（エルトレイン）」の愛称が決定した。なお、2013年（平成25年）12月5日で運行を終了し、運行終了後はそのまま廃車・解体された。2016年からは9000系9108編成が2代目L-Trainを（2018年度末運行終了予定）、更に2018年からは20000系20104・20105編成が3代目L-Trainを襲名している。