モハE657形とモハE656形で電動車ユニットを組み、先頭車2両・中間車2両の4両の付随車を含んだ6M4Tの10両で編成を構成する。制御方式は、コンバータ装置とVVVFインバータ装置を1つにまとめた主変換装置を搭載しており、日立製作所 製IGBT素子を用いたVVVFインバータ制御により、VVVFインバータ装置1基で4基の電動機を制御する1C4M構成となっている。交流区間では、変圧器で降圧された後にコンバータ装置で直流に整流されVVVFインバータ装置に送られるが、直流区間では、変圧器とコンバータ装置を介さず、架線からの電力がVVVFインバータ装置に直接に送られる。補助電源装置は三相交流440V、260kVAの容量を有する三菱電機製IGBT素子使用の静止形インバータ (SIV) SC95形をM2車に搭載し、編成全体で同期運転をさせることで、冗長性を確保している。また、サロE657形を除く付随車にはスクリュー式電動空気圧縮機 (MH3130-C1600S1) を装備している。台車は軸梁式ボルスタレス台車を採用する。電動車はDT78、付随車はTR263を使用する。耐寒耐雪性能を向上させ、ヨーダンパを装着する。集電装置は、シングルアーム式パンタグラフ (PS37A) をモハE657形（M1車）の前位（いわき寄り）に搭載し、編成で3台搭載とする。屋根上機器が多いため予備パンタグラフはない。電動車の屋根上には抵抗器が搭載できるように準備工事がなされている。これは将来において閑散線区への転用を想定し、現在使用している回生制動が使用できない場合でも電気制動を使用できるようにするため。空調装置 (AU734) は集中式で各車両の屋根中央に1基設置される。冷房時の能力は41.9kW (36,000kcal/h)である。最高速度は130km/hで、先頭車とグリーン車には新幹線E2系や「成田エクスプレス」用E259系で採用されているフルアクティブサスペンションを搭載し、車体間ダンパを全車に装備することで乗り心地の改善を図った。将来の耐寒耐雪構造強化のため床下機器にカバーが付けられるよう取り付け台座があり、カバーが付けやすいように機器を配置している。
アルミニウム合金によるダブルスキン構造を採用した。E259系電車の構体をベースに、交流区間用の高圧機器を屋根上に搭載するため屋根高さを105mm低下させてE653系電車と同じ高さとしている。先頭構体は、近畿車輛によってデザインされたクラッシャブルゾーンを設けたFRP製で、歴代の常磐線特急型電車と同様に階上に運転席を上げた高運転台構造をとる。651系のような前面愛称表示機は備えていない。塗装は、赤みを帯びた白をベースに、窓回りに黒を、窓下に紅梅色の帯を配し、「白梅・赤梅」を表現している。裾部と前面スカートには薄紫を配する。側面の行先表示機にはフルカラーLEDが採用され、列車名・行先・座席種別・号車番号のほか、E233系と同様に次の停車駅も表示する。約1年半の短期間における大量増備だったため増備中の大きな変更点はないが、外観で認識できる差異として前面スカートの分割方式の変更がある。これは現場の意見を取り入れたもので、事故発生時の早期復旧や救援時の処置時間短縮を目指し、スカートの交換を容易にするため一体型から三分割方式に変更し、蓋の固定方式をねじ止め方式からパッキン錠に変更。第9編成からは新製時から施工されている。両方の先頭車では当初からスカート形状に違いがあり、連結器下に蓋があるのがいわき方先頭車で、現在は付属編成はないが、図面によればこちらに電気連結器が描かれ、将来の併結を考慮したものとされる。
1692年5月、モンスに駐屯していたフランス軍が東に動き、25日にブーフレールがオランダ軍のメンノ・フォン・クーホルンが守備するナミュールを包囲した（第一次ナミュール包囲戦）。ナミュールはネーデルラントを流れるサンブル川とマース川の分岐点に置かれた都市で、ここを落とされるとモンスと合わせてサンブル川流域がフランス軍に占領され、ナミュールから北西のブリュッセルが危うくなるため、ウィリアム3世は救援に向かったが、リュクサンブールの牽制と大雨で進軍できず6月30日にナミュールを奪われた。ただ、イングランド海軍提督エドワード・ラッセル率いるイングランド艦隊が29日から6月4日にかけてバルフルール岬とラ・オーグの海戦でトゥールヴィルが指揮するフランス艦隊に対して大勝利を収め、ジェームズ2世とフランス軍のアイルランド遠征の恐れは解消された。ウィリアム3世はナミュール陥落後はブリュッセルから南西のハレに進軍、リュクサンブールも後を追い、8月3日にステーンケルケの戦いが起こった。戦いはフランスの勝利に終わったが、両軍共に死者が多数に上ったため、双方はこの年の戦役を打ち切った。イタリアはマクシミリアン2世の後任としてオーストリアの将軍アエネアス・シルウィウス・カプラーラが派遣されたが、南フランスの略奪以外に変化は無かった。1693年3月にウィリアム3世はイングランドからオランダへ渡ったが、5月22日にハイデルベルクが再度フランス軍に奪われ、6月17日にラゴスの海戦でイングランド貿易会社の船団がトゥールヴィルのフランス海軍に襲われ壊滅、7月にリュクサンブールはナミュールから東進してリエージュを狙い、その途上にあるユイを落とすなど戦況は同盟軍に不利な状況に陥った。救援に赴いたウィリアム3世は陥落を知りランデン付近に停止、7月29日にリュクサンブールが同盟軍に攻撃した（ネールウィンデンの戦い）。同盟軍は1万以上の大損害を出して敗走したが、フランス軍も8000以上の被害のため追撃出来ず、10月にシャルルロワを落としてサンブル川は完全にフランス軍の領域になる一方でユイから東のマース川流域は同盟軍が確保した。しかし、イタリア戦線で10月4日のマルサリーアの戦いでヴィットーリオ・アメデーオ2世が再度カティナに敗北すると和平を考えるようになっていった。1694年は全体的に戦線は停滞したままで、同盟軍が9月にユイを奪還、イタリア方面軍指揮官がカプラーラからオイゲンに交代、地中海に派遣されたラッセルのイングランド艦隊がスペイン南部のカディスを占領、スペイン北東部のカタルーニャに侵入したフランス軍を牽制してバルセロナから手を引かせた他は変化が無かった。しかし、フランスは凶作に見舞われ病気による死者が急増、国内経済も危機に瀕していた。