北大阪線転出後の1923年には、1形の総括制御車を291形に改造する際に51 - 60の台車及びモーターを291形と交換することになった。台車はBrill 27MCB-1で変わりなかったが、主電動機がGE社製のGE-200C（1時間定格出力29.8kW）となってパワーダウンしたことから、従来のままの61 - 66と形式を分割してそれぞれ51形と61形となった。1926年には51形10両の制御器が芝浦製作所製のRB-201Aに換装された。1930年には北大阪線のレールを国道線のレールと同じT型レールに交換したことから、車輪及び車軸をそれに対応したものに交換している。その後も51形は501形や後継の31形とともに北大阪線に、61形はトロリーポール1基搭載に改造されて甲子園線に、としばらく国道線を除く併用軌道線各線で使用されていたが、1937年の71形の新造に伴い、61形65・66が同年に廃車されたのを皮切りに、翌1938年には63・64が「アミ電」こと121形123・124に改造され。この時点で51形は51 - 60の10両全車が残り、61形は61・62の2両が残るのみとなったことから、これらの車両を201形を新造することによって置き換えようとしたが、新造計画が戦時体制に入った影響もあって遅々として進まぬ間に、1941年に満州国の新京交通へ56 - 60の5両を供出、譲渡した。供出した5両の代わりに91形3両の新造が認められ、残った51 - 55・61・62の7両も201形の増備で置き換えることを計画していたが、戦局が悪化するにつれて置き換えもままならず、老朽化した車体を酷使して走らせざるを得なかった。終戦直後まで走り続けていた51・61の両形式であるが、91,201両形式が就役するにつれて休車状態となり1948年に廃車、51・61形の消滅とともに阪神電鉄の営業用木造車も消滅した。
登場当初の51形は、「新車」と呼ばれて1形とともに本線の輸送力増強用に充当された。しかし、第一次世界大戦の勃発によって日本の工業生産力は増加し、阪神本線沿線にも多くの工場が進出するとともに宅地の開発も盛んになったことから乗客数も急上昇したが、肝心の車両を増備したくても台車や電装品などが大戦の影響で輸入が困難となり、国産品も実用以前であったことから車両の増備ができずに1形と51形の66両で千鳥式運転を実施するなどしてしのいでいた。大戦後の1920年にようやく総括制御で連結運転可能な301形を新造、翌1921年までの間に311,321,331の各形式合わせて70両が増備されると、直接制御で単行運転しかできない1・51形は総括制御に改造された1形41 - 50を除く1形全車が譲渡または廃車され、51形は北大阪線で専属的に使用された。また、この時期までに二重屋根の前後端を301形同様丸屋根に改造した車両が現れ、その後も同様の改造が実施された。
百位が偶数の番台を1号車（鳥羽・新宮・下呂・多治見方向）、奇数の番台を2号車（名古屋・岐阜方向）として2両編成を組むが、2両以上であれば設計上は1両単位で最大10両まで連結することができるため、後継系列のキハ25形のような編成番号は設定されていない。車体は311系電車と同様にステンレス鋼製の車体に両開きの客用扉が片側3箇所、オレンジ色の帯が2本という外観となった。連続窓が採用され、車端部を除いて固定式である。低床構造とされたため扉付近には段差（ステップ）がない。車内設備は311系電車に準じたもので、転換クロスシートを採用しているが、乗降扉付近と車端部側は転換式と同一寸法の固定クロスシートとなっている。0・200・400番台には車椅子対応トイレを設置している。各車の車端部妻面にはLEDを用いた車内案内表示装置を設置した。0・200番台には車内公衆電話が設置されていたが、2007年3月18日以降使用を中止した。エンジンはカミンズ社スコットランド工場製NTA-855-R-1（JRグループの型式：C-DMF14HZB 、350ps）を各車両に2基ずつ搭載し、変速機はキハ40系およびキハ85系と同一の新潟コンバータ製のC-DW14Aでトルクコンバータを用いる変速段が1段に加え、直結段が2段となっている。最高運転速度は120km/hで、キハ85系と同等の性能を有する。ブレーキシステムもキハ85系と同一の電気指令式で、その他機関ブレーキとコンバータブレーキも装備する。台車はボルスタレス式で、ヨーダンパを装備するC-DT60形である。連結器は、キハ85系では従来車と共通の密着自動連結器が採用されたのに対し、本形式ではJR東海の気動車として初めて電気連結器付き密着連結器が採用された。冷房装置は駆動エンジン直結式のC-AU30形を屋根上に2基搭載する。種別・行先表示器と号車番号表示器は字幕式である。製造当初は前面行先表示器の字幕の地色が黒であった。キハ58系のように臨時列車に使用されることを考慮し、当初から高山本線・中央本線の駅名や急行「エメラルド」での運用を想定した東舞鶴駅などを行先として表示できるようになっている。