最初に導入された80286においては24ビットの物理アドレス空間へのアクセス、そして1セグメントあたり最大64キロバイトの空間を提供していた。これまでに述べた機能を使ってセグメントレジスタを意識したセグメント方式の仮想記憶を使ったOS環境を作成することが可能になった。しかし286リリース当時、プロテクトモードはすぐに広く使われたわけではない。プロセッサをリセットする以外にリアルモードに戻ることができないため、BIOSまたはDOSコールにアクセスすることができないなどの欠点があり、幅広い採用が妨げられた。幅広い採用が見送られた他の要因として、286 では4本のセグメントレジスタでそれぞれ16ビットのセグメントしかアクセスできなかった。すなわち一度にアクセスできるメモリの範囲は 4*2¹⁶ バイト（256キロバイト）に限られていた。286 は 8086 との互換性を保つため、起動時にはリアルモードで動作を開始するようになっていた。リアルモードでは 8086 と全く同じ動作をするので、古いソフトウェアも 286 で修正せずに動作することができる。286 の拡張機能にアクセスするには、オペレーティングシステムがプロセッサをプロテクトモードに移行させる必要がある。それによって24ビット・アドレッシングが可能になり、2²⁴ バイト（16メガバイト）のメモリにアクセス可能となる。286のプロテクトモードではセグメントディスクリプタの「Presentビット」の属性を使用した仮想記憶管理が行われる。OSがセグメントの内容をハードディスクにスワップアウトすると、「Presentビット」を0にする。アプリケーションプログラムがこのセグメントの値をセグメントレジスタにロードすると「セグメント不在例外(Not Present)」INT#11が発生する。OSはハードディスクからセグメントの内容をスワップインし、「Presentビット」を1にする。その後アプリケーションプログラムは実行を再開する。プロテクトモードではプログラムのバグによってプロテクトモードのルールに反する不正な値をセグメントレジスタにロードした場合「一般保護例外 (General Protetion Fault)」INT#13 が発生するが、OSやCPUは、アプリケーションプログラムが本来ロードしようとしていた正しい値がわからず、再実行ができない状態になる。80386では、セグメントリミットが4GBのフラットモデルを使用すれば、アプリケーションプログラムがセグメントレジスタのロードを行う必要はなくなる。
1988年（昭和63年）5月末には、3163 - 3164ユニットがVVVFインバータ制御改造車の3200形3294編成と連結し、6連混結試運転を実施したが、同ユニットの混結での営業運転の実績はなかった。その後1989年（平成元年）6月から7月にかけて上野方から3294 - 3291+3188 - 3187という混結6連を組成し、営業運転に使用された。3150形と3200形VVVFインバータ車混結の営業運転はこれが唯一の事例であった。1989年4月末から5月末にかけて、3200形更新出場直後の3297 - 3298が3158編成と組成され、上野方から3298 - 3297+3158 - 3155の順に組成した混結6連が見られた。1991年（平成3年）3月以降本格的に京成車による京浜急行電鉄への直通運転が開始されたが、当形式は先頭台車にモーターを装着しているため、1995年（平成7年）頃まで頻繁に京急直通運用に充当された。1991年3月から1995年3月まで平日夜間に設定されていた京急久里浜線三崎口までの直通運用には当初はかなり高い割合で充当されていたが、高速域の加速性能が向上した3700形や3400形の増備が進行するとこの運用への充当は少なくなったものの、稀に本形式や3300形も充当された。ただし、最終日の1995年3月31日には現行塗装に変更（後述）された当形式の8両編成が充当された（1991年のこの列車の運行開始日には3200形の8両が充当された）。1993年（平成5年）4月1日には京急空港線羽田駅（現・天空橋駅）が開業し、都や京成の車両も同線に乗り入れるようになったが、当時同線には6両編成までしか入線できなかったことから、京成車両は本形式も充当された。1991年7月から1992年（平成4年）11月にかけて、運転台の主幹制御器が交換されたほか、3151 - 3154・3161 - 3162・3183 - 3186については、モーターをTDK-810/4FからTDK-8100Aに交換、他の東洋電機製造製モーターを装備する車両についても3155 - 3156を除き同一新品 (TDK-810/4F) に交換された。1993年（平成5年）6月、3170編成が3200形8M車試験塗装車以外の車両で初めてファイアーオレンジから現行標準色のライトグレーベースにレッド・ブルー帯へ変更された。以後、定期検査時に塗装変更が行われ、1995年4月上旬時点では3158 - 3155+3190 - 3187の8両が、「赤電」最後のファイアーオレンジ塗装車として8両編成を組んでいた。同年4月下旬に3190編成が塗装変更のため入場し、5月中旬に出場した。3158編成は入場直前まで塗装変更済みの3178編成を成田空港方に連結し、短期間、新旧塗装混結8両編成として引き続き営業運転に使用されたが、5月中旬に塗装変更のために入場し、6月上旬に出場した。これをもって「赤電」の塗装変更は全車完了した。京成では前面種別表示器のない車両において、普通運用の場合、前面種別表示板は無表示（赤無地）であったが、1995年7月より3500形と同様に当形式も小文字併用英字表記を追加した「普通 Local」と表記した種別表示板を掲出するようになった。また、3700形の東急車輛製造（現事業：総合車両製作所横浜事業所）から宗吾車両基地への搬入にも当形式が使用された事例がある。当形式で使用されていた冷房装置は長野電鉄に譲渡されたものもある。