量産先行車は2010年6月から、仙台港に陸上げされた。同年7月9日には、新幹線総合車両センターで報道公開された。営業運転開始まではS12編成を名乗っていた。2012年11月より量産車が順次納入され、2013年3月16日に営業運転を開始した。2014年3月15日のダイヤ改正以前の最高速度は300km/hであった。量産車はZ編成を名乗り、基本的には量産先行車と同じだが、普通車とグリーン車の定員が1名ずつ減少し、合計336名となっている。なお、川崎重工業車両カンパニー担当の一部編成は秋田車両センターへ甲種輸送の形で納入されている。詳細は後述の編成表を参照されたい。
JR東日本は、2000年に策定した中期経営構想「ニューフロンティア21」において示した「世界一の鉄道システムの構築」において、新幹線を最高速度360km/hで営業運転することを目標とした。その目標を実現するために2002年に「新幹線高速化推進プロジェクト」を社内に発足させ、新幹線高速試験電車「FASTECH 360」（E954形・E955形電車）を開発し、2005年から地上設備も含めた各種試験を行った。その結果、環境対策やコスト対効果を考慮すると最高速度320km/hが妥当と判断され、本線系統のE5系・H5系に対して、新在直通用車両として本形式が開発された。
E3系0番台に替わる新たな秋田新幹線の車両として、東北新幹線区間で最高速度320km/h運転を行うために開発された車両で、2013年3月16日のダイヤ改正から「スーパーこまち」の列車名で営業運転に投入された。E5系・H5系との併結運用により17両編成の「はやぶさ」「やまびこ」「なすの」にも投入されている。繁忙期などの臨時列車を含めると「はやて」にも投入される。2014年5月26日にローレル賞、2014年10月1日にグッドデザイン賞をそれぞれ受賞した。
エスクミナック層を含むミグアシャの化石産地は、1985年に州立公園に指定された。デボン紀に現れた脊椎動物の化石の産地は地球上で70ヶ所以上確認されているが、ミグアシャは、種の豊富さ、化石の保存状態の良さ、脊椎動物の進化を考察する上での代表例が見つかっていることなどの点で、ほかの産地とは一線を画している。1999年12月に、ミグアシャ国立公園の持つ学術的価値は、州立恐竜公園（カナダ）やメッセル採掘場（ドイツ）など他の化石産地と並び、人類にとって顕著な普遍的価値を持つものとしてユネスコの世界遺産委員会に認められた。カナダの化石産地としては、カナディアン・ロッキー山脈自然公園群（カンブリア紀など）、グロス・モーン国立公園（オルドビス紀）、州立恐竜公園（白亜紀）などに続く4例目の世界遺産登録であった（その後石炭紀のジョギンズの化石の崖群が加わっている）。また、デボン紀の産地として世界遺産リストに登録されたのはミグアシャが初めてである。世界遺産登録名は当初「ミグアシャ公園」（Miguasha Park / Parc de Miguasha）であったが、2004年に現在の名称に変更された。
10種ほどの植物化石が存在しており、88種の胞子の化石も発見されている。この植物相の中で最も代表的なものはアルカエオプテリス（Archaeopteris）であり、この原始的な樹木がデボン紀の初期の森林を形作っていたのである。
はるか太古に滅亡した超古代文明によって、ギャオスを倒すために、甲羅状の「器」に地球の生命エネルギー「マナ」を集めて創り出された、一種の「生体兵器」とされ、環境への適応や自身の戦闘能力の向上のために、短期間で進化する能力を持っている。基本的に地球を守るために行動しており、守るべき対象は人間だけに限らず、全ての生態系、ひいては地球そのものとされており、生態系を破壊し地球環境に害をなす生物を倒すためならば、市街地や人命に被害が及ぶような激しい戦闘を行う事も厭わない（このことが『3』において綾奈に恨まれる要因になった）一方、逃げ遅れた子供や人々をギャオスの光線やレギオンの襲撃から助けたりすることもある。平成三部作の世界に玄武の伝承は存在するものの、亀の先祖に相当する生物が恐竜と同時期に絶滅した設定となっているため、ガメラは「怪獣」と呼ばれる事はあっても、「巨大な亀」といった表現で呼ばれるシーンは無く、「亀」という単語も一切使われない。現生動物の亀という概念そのものが無い為、劇中この設定に触れるシーンは無いが、『3』の劇中では、斉藤雅昭のデスクの上に陸亀の置物が置いてあるという矛盾が生じている。また、序盤の会議シーンで一瞬映る資料には、海底で発見されたガメラの墓場について「亀の甲羅状」という言葉を用いて地形の説明が行われている。コンビナートに墜落して大爆発に巻き込まれたり、レギオンプラント（草体）爆発時に炭化してしまったり、敵怪獣に瀕死状態に追い込まれたりしても復活しているが、これらはいずれも「人間の祈り」、特に子供の祈りが鍵になっている。登場人物の一人、草薙浅黄とは精神的な交信が可能になっていた。一時は、ガメラが受けたダメージがそのまま浅黄に伝わったり、負傷した箇所と同じ箇所を負傷したり、ガメラが傷の回復のために眠りに就くのと同時に眠りに就き、ほぼ同時に目覚めたりするまでに強かったが作品が進むにつれ、その傾向は徐々に弱まって行き、『2』の中盤で途絶えたような描写がある。この精神交信には、岩礁状態で海を漂っていたガメラの甲羅から発見された勾玉が重要な鍵となっていたが、『2』でのガメラ復活時に、浅黄の持っていた勾玉は砕けている。『3』では、これと同時に他の全ての勾玉も砕けていたことが判明した。浅黄は「ガメラは人間との交信を断ち切った」と考えたが、『3』の登場人物である倉田真也は「ガメラの再生は人間の祈りによって成されたものであり、ガメラはまだ人間とは完全に離れてはいない。それこそがガメラの弱点」という見解を見せた。