国鉄キハ65形気動車
開発の経緯
国鉄では1961年から急行列車用にキハ58系の大量製造を行った。このグループについては1960年代中期以降、冷房装置の搭載が本格化した。
しかしキハ58系は走行用DMH17Hディーゼルエンジンが低出力であるという根本的問題を抱えており、急勾配線で運用される場合には、走行用エンジンの基数確保と冷房電源供給エンジン搭載スペース確保との相反する制約に伴う、出力不足の問題が顕著となった（国鉄キハ58系気動車#改造による問題点を参照のこと）。
この問題に対応するため、勾配路線のキハ58系急行列車編成に増結してブースター的な役割を与え、なおかつ冷房用電源の問題を解決する目的で、試作車のキハ91形を基本に開発されたのが本形式である。
車内設備
冷房装置は当初から屋根上にAU13A形分散式冷房装置を7基搭載している。このためベンチレーター設置は省略された。
トイレと洗面所設備は省略された。実際の運用においては、全車にトイレと洗面所を備えたキハ58系との混結が前提であったことによる構造簡略化・軽量化のための措置である。ただし定員はキハ58系と変わらず、空いた空間を活用することでシートピッチが12系客車と同等の1,580mmに拡大された。冷房装置が必ずついていることも相まって、指定席を連結している急行の運用に入る際には本系列が指定席用車両として使用されることが多かった。
主要機器
床下に過給器付きの水平対向12気筒30リッターDML30HSDディーゼルエンジン（連続定格出力500PS/1,600rpm・最大出力590PS/2,000rpm）1基と冷房電源装置を設置している。液体変速機は1段3要素型のDW4形であるため、0～8km/h付近の引張力は3段6要素型変速機を持つキハ58を下回るが、それ以上の速度域や直結段ではその大出力から来る強い引張力が発揮されるようになる。
自車を含め3両分の冷房電源を供給できるディーゼル発電機「4VK型発電セット（4VK型ディーゼルエンジン+DM83A型発電機・ダイハツ製）」1基を搭載した。
台車はディスクブレーキ付きで、2軸駆動のDT39形と付随台車のTR218形（80 - 86はそれぞれDT39A・TR218A）を装着する。これらはキハ90系用DT35形・DT36形・TR205形の系譜に連なる延長リンク形軸箱支持機構を備える仮想心皿式空気バネ台車である。
この台車は1台車2軸駆動化でボルスタ（枕梁）が位置的に推進軸に干渉するため、ボルスタを無くして、車体と台車の間を直接ダイヤフラム形空気バネで支え、牽引力は台車から、直角クランクピンとボルスタアンカーによるリンク連結を介して車体に伝達する構造となっている。
なお延長リンク形軸箱支持機構は軸箱について軸方向の支持剛性が低いという問題を抱えており、最高速度95km/hとされた通常の本形式ではそのまま使用されたが、後年電車牽引や機関換装で110 - 120 km/h運転を行うようになった車両ではペデスタルによるウィングバネ式軸箱支持機構を採用した新設計台車枠への新製交換を実施した。
また、ブレーキシステムも台車と同様に2軸駆動機構との干渉を避けるべく台車シリンダー方式が採用された。このためキハ58系のDAE系電磁自動空気ブレーキに中継弁を付加したDARE1中継弁付き電磁自動空気ブレーキが搭載されている。
国鉄時代
すべての車輌が東海信越以西に配置されており、東日本以東には山岳路線を含めて配置されなかった。
当初0番台は、四国・九州地区へ集中投入され、後に西日本地区にも配置され、各地域の急行列車で運用された。
500番台は、当時グリーン車にまで走行用エンジン2基搭載のキロ58形が投入されるほど過酷な運用条件にあった中央本線急行「アルプス」「きそ」（および「八ヶ岳」等の併結列車で小海線全線や大糸線非電化区間の糸魚川駅まで）の冷房化用に松本運転所（現・松本車両センター）ならびに長野運転所（現・長野総合車両センター）に配置された。しかし、松本運転所所属分は1975年3月10日国鉄ダイヤ改正で投入列車の165系電車化に伴い、また長野運転所投入分も特急化・電車化で徐々に名古屋機関区（現・名古屋車両区）をはじめ西日本・九州地区に転出となり、関西本線・山陰本線・高山本線などで運用された。
1980年代になると急行列車が大幅に削減されたが、本形式はローカル線の普通列車用として多くが転用された。その一例として四国地区では高松運転所に集中配置され急行運用に投入されていたが1986年からキハ185系気動車が新製配置され特急増発の結果、一部車両は徳島気動車区（現・徳島運転所）に転属となり高徳本線・牟岐線・徳島本線の急行・普通列車で運用された。
1987年の国鉄分割民営化の際には、東海旅客鉄道（JR東海）・西日本旅客鉄道（JR西日本）・四国旅客鉄道（JR四国）・九州旅客鉄道（JR九州）の西側4社に継承された。
分割民営化後
多気筒大出力エンジンによる走行性能の余裕を買われ、JR移行前後からジョイフルトレインや特定列車用に特化させる大規模な改造を受けた車両も存在する。しかし、その一方で急行列車の削減や車両の老朽化のほかに、保守・点検の面で本形式の大出力エンジンは必ずしも有利とはいえず、ローカル運用には性能過剰な面もあった。さらにトイレを装備しない点や片運転台のため単行運転ができない点、またキサハ34と同様に折戸であるため通勤改造が困難であった点、少数形式で保守部品の調達が困難な点も運用上および整備上の制約となった。これらの背景から比較的早期に淘汰が進み、1990年代後半からは急速に廃車が進行した。なお、この時点においても花輪線や山田線など東北地方には非冷房の山岳路線が数多く残存したが、JR東日本にはDML30エンジンの検査修繕設備がなかったため、譲渡されることはなかった。
キハ65 36
500番台を含む全104両中、末期まで原型車体を維持し、最後まで籍を所有していたJR九州大分車両センター所属のキハ65 36は1989年に九州旅客鉄道(JR九州)が四国旅客鉄道（JR四国）から譲り受けたもので、JR四国に在籍していた当時に座席がバケット式の固定クロスシートに取り替えられていた。
晩年はトロッコ列車「TORO-Q」として久大本線由布院 - 南由布間および由布院 - 大分間をキハ58 569ならびにトロッコ車に改造されたトラ70000形と編成を組み運用されていたが、2009年11月29日運用を終了。その後はキハ58と共に国鉄色に変更 され、復活急行シリーズなどの運用に投入されていたが、車両検査の期限切れのため「ファイナルひかり」を最後に2010年8月29日をもって運用離脱となった。その後は2010年10月23日にJR九州大分車両センター構内で開かれたトレインフェスタIn大分でキハ58 569と共に展示され、復活急行シリーズで使われたヘッドマーク撮影会も行われた。
2013年6月5日にキハ58 569と共に小倉総合車両センターへ回送され、同年6月24日付でキハ65 36は廃車、後日解体され、キハ65形は形式消滅した。
500番台・晩年
500番台の最終在籍車はラストナンバーのキハ65 518で元々は長野運転所に新製配置された後、1978(昭和53)年に517と共に福岡県の竹下気動車区へ転属してきたもので後に両車共、直方気動車区へ1年、更に早岐客貨車区へ再転属した後にシーサイドライナーで活躍したが2001(平成13)年にキハ66・67、キハ200の両形式の長崎への転属により517は2002(平成14)年に廃車となり、同時に518は最終配置の熊本運転所へ転属となり、青20号に類似したシーサイドライナー色のままで急行くまがわ、三角線の普通列車の運用に就いていた。検査切れまでの運用を前提していたのか塗装変更も施されず、ヘッドマークステーも取り付けられなかった為、当車が急行くまがわに就いた時はヘッドマークが取り付けられなかった。急行くまがわが特急に格上げされて運用離脱となり2005(平成17)年に廃車になった。
改造車
前述のように国鉄時代末期から大規模な改造を受けた車両が多く存在する。本項では改造施工を行った会社別に解説を行う。