バリアフリー対策で、キハE130系と同様に通路部分の床面高さはキハ110系より45mm下げられている。また、優先席部分でつり革の高さもキハ110系より40mm低くなり、（色はオレンジでつり手もオレンジ色、形状は他の部分も含めてE531系電車と同一）、スタンションポールの設置も行われている（形状はE233系電車と同一）。腰掛けの幅（ロングシート部分）はキハ110系に比べ20mm拡大されている。小淵沢方の出入り口付近には車椅子対応の自動ドア付き大型トイレを設置し、LED式の旅客案内装置やドアチャイム・ドア開閉告知灯を採用した。また、自動放送装置はワンマン運転の他、車掌乗務時にも使用される。
塗装は、小海線の持つ高原のイメージより青を基調に黄色帯をまとった配色とし、新システムであることをアピールするため、「HYBRID TRAIN」の文字（TRAIN は HYBRID の D の部分に小さい文字で描かれている）が抜き文字で表示されている。
車体は軽量ステンレス構体の拡幅車体とし、水郡線で運用されているキハE130系気動車と同様に2,920mmの幅広車体を採用し、腰部から下を絞った形状としている。また、E231系と同様に側面からの衝撃に対する安全向上策が図られている。両運転台車であり、床面高さはキハE130系気動車と同様にレール面から1130mmとされており、キハ110系と比べて45mm低くなっている。
ディーゼルエンジンとリチウムイオン蓄電池（屋根上に設置）を組み合わせ、車輪の駆動にかご形三相誘導電動機を使用する。発車時は蓄電池充電電力を使用し、加速時はディーゼルエンジンが動作して発電機を駆動し、蓄電池電力と合わせて電動機を回転させる。減速時は電動機を発電機として利用し、運動エネルギーを電気に変換して蓄電池に充電する（ディーゼルエンジンは停止もしくは排気ブレーキ動作）。したがって、本形式の走行音は独特のものである。また、運転台に設置してあるモニタ装置やトイレ付近に設置された液晶ディスプレイではエネルギー転換の状況がリアルタイムに表示される。なお、内装については中央線快速で実施したアンケートを基に、キハ110系と比べて改良されている。
1970年代にウィスコンシン大学マディソン校で逆転写酵素を発見し、レナート・ドゥルベッコ、デビッド・ボルティモアとともに、1975年度のノーベル生理学・医学賞を受賞した。この論文は重要性が直ちに認識され、Natureの編集部の判断によって著者の順序が変更されたことでも知られている。　さらに彼は、腫瘍ウイルスが逆転写酵素を使って宿主の細胞の遺伝情報をどのように書き換えるかということを明らかにした。またこの発見は、フランシス・クリックが提唱し、広く信じられてきたセントラルドグマの概念に修正を迫るものであった。クリックや当時の他の分子生物学者は遺伝情報は、DNA→RNA→タンパク質と一方向にのみ流れるものだと信じていたが、テミンはある種の腫瘍ウイルスが、逆転写酵素を使ってRNA→DNAの方向に遺伝情報を伝えることができるということを示した。この現象は、同じ頃テミンと一緒にノーベル賞を受賞することになるデビッド・ボルティモアによっても、独立に発見されていた。逆転写酵素は、エイズを引き起こすHIVやウイルス性肝炎の原因となるB型肝炎ウイルス (HBV) などのウイルスも持っているため、この酵素の発見は近年の医学における最も重要な発見の一つとなった。また分子生物学においてmRNAからのcDNAの合成、PCRや医療診断に使われる重要なツールにもなっている。また、アジドチミジンなどの逆転写酵素阻害薬はHIVに対する治療薬として用いられている。長い間、喫煙の反対論者であり、59歳で肺癌のため死去したが、彼自身はタバコを吸わなかった。ウィスコンシン大学マディソン校の散歩道には彼の名前が付いている。彼は1955年にスワースモア大学で生物学の学士号を取得し、1959年にカリフォルニア工科大学で博士号を取得した。テミンの弟のピーター・テミンはマサチューセッツ工科大学の経済学の教授であり、経済学部の元学部長である。
1995年（平成7年）3月20日、地下鉄サリン事件が発生した。村山は法務大臣前田勲男、国家公安委員会委員長野中広務、警察庁長官國松孝次、内閣官房長官五十嵐広三ら関係幹部に徹底捜査を指示、陣頭指揮を執る姿勢を見せ、事件捜査について「別件逮捕等あらゆる手段を用いて」と発言したが、これは刑事捜査の是非について、政治サイドの言葉としては著しく問題化した。（後述）地下鉄サリン事件など、一連の事件を起こしたオウム真理教に対し、破壊活動防止法適用が検討され、公安調査庁が処分請求を行った。公安審査委員会は破壊活動防止法適用要件を満たさないと判断し、適用は見送られた。1952年に公布された破壊活動防止法は、暴力主義的破壊活動を行った団体に対し、規制措置を定めた法律である。当初は日本共産党や日本赤軍などの暴力革命による自由民主主義体制の転覆を志向する極左勢力の拡大を防止する目的もあったことから、社会党はじめ55年体制下の野党各党は、従来法の適用に極めて慎重な立場をとっていた。オウム真理教への破壊活動防止法適用には警察官僚出身で自民党の後藤田正晴らからも異論が出るなど賛否両論が噴出したが、法務大臣の宮澤弘、国家公安委員長の野中と協議した村山は、公安調査庁の調査を尊重すると決断し、公安審査委員会への処分請求に道を拓いた。地下鉄サリン事件の捜査に関して前述の「別件逮捕」の扱いについての発言が本来なら革新リベラルとして同志向の面が強い筈の人権派弁護士たちからも大きな反発を受けるなど賛否両論となった。2007年3月17日、「地下鉄サリン事件被害者の会」が編んだ『私にとっての地下鉄サリン事件』に手記を寄せた。同書には國松や『アンダーグラウンド』を書いた村上春樹らも寄稿している。