本系列初期製造車のうち状態の悪い車両を置換える目的として、1986年（昭和61年）から1987年（昭和62年）にかけてキハ35形の改造名義により、7両が各地の国鉄工場で製造された。台車や変速機などの主要機器が流用されている。
1964年（昭和39年）から1965年（昭和40年）に501 - 506の6両が製造された寒冷地仕様。基本仕様はキハ35形500番台に準ずる。
台車は標準形を改良した金属バネ式のDT22C（動台車）・TR51B（付随台車）を装備する。ラッシュ時の荷重を考慮し、車軸径が僅かに大きくされた。
エンジンもキハ58系と同様の、水平シリンダー形のDMH17Hエンジン（180PS/1,500rpm）である。本系列では車両中央部にもステップ付き扉を設置したため、車体中央部分の床下面積が小さくなることからエンジンの2基搭載は困難であり、全形式が1基エンジンである。直立シリンダーエンジンは調達コストがやや低いものの、床に点検蓋を設置する必要があり、その補強でさらなる重量増を招くため、設計段階で廃案となった。これに標準形の液体変速機であるTC-2A形またはDF115A形が組み合わされた。
関西本線の湊町（現・JR難波） - 奈良間は大都市近郊区間であり、1950年代以降通勤客が大幅に増加していた。この区間は戦前に電化が計画されたが実現せず、1960年（昭和35年）当時でも非電化のままであった。当時は蒸気機関車牽引の客車列車が主力として運転されていたが、客車は老朽化し、乗降扉は走行中の施錠もできない手動式で、蒸気機関車の煤煙に悩まされる昭和初期と大差ない前時代的な旅客サービス水準であった。列車本数（片道）も日中は1時間に1 - 2本、朝ラッシュ時でも1時間に4 - 5本程度と、並行する複線電化の近畿日本鉄道奈良線・大阪線には、列車本数・スピード・接客設備ともに大きく水を開けられていた。また蒸気機関車が主力であったことから、輸送量が同等の国鉄他線区に比べると固定資産が多く輸送コストが割高で、営業成績が低迷していたこともあり、収支改善のテコ入れを迫られていた。この状況に対して国鉄は、当時の関西本線の輸送量では電化では採算が合わないと判断し、気動車の大量投入により輸送力強化を図ることを決定した。このころの関西本線にはすでに気動車が湊町 - 柏原間などで部分的に導入されており、湊町から名古屋まで直通する気動車準急列車も運行されていた。しかし、普通列車用車両は2扉セミクロスシートのキハ17系とキハ20系であり、大都市近郊でのラッシュ時の客扱い能力にはいささか難があった。そこで、通勤電車並みの収容力と客扱い能力を備えた通勤形気動車として新たに開発されたのが本系列である。
昭和30年代の高度成長期、大都市近郊の非電化通勤路線向けとして開発され、1961年（昭和36年）から1966年（昭和41年）にかけてグループ総計で413両が製造された。関西本線を皮切りに首都圏・新潟・中京圏・関西・北部九州を中心に日本各地で使用された。旅客乗降の効率化のため、両開きの幅広ドアを片側あたり3か所に設け、収容力を重視して車内の座席をすべてロングシートとしたことが特徴である。ラッシュ時の輸送に絶大な能力を発揮したが、大都市近郊の路線が軒並み電化されたことや、転用先ローカル線での長距離運用に不向きな両開き3ドア・オールロングシートという設備が災いし、1980年代以降は急激に淘汰された。このため後継車は開発されておらず、同様の設計思想で製造された車両についても1997年にJR北海道が札幌近郊線区向けに投入したキハ201系（ただし扉は片開き式）の登場まで、約35年間途絶えることとなった。
大阪電気軌道デボ51形電車（おおさかでんききどうデボ51がたでんしゃ）は、近畿日本鉄道（近鉄）の前身にあたる大阪電気軌道（大軌）が1918年（大正7年）に製造した車両。51 - 55の5両が梅鉢鉄工所で造られた。畝傍線（現・橿原線）西大寺駅 - 郡山駅間の開業に備えて製造されたといわれる。デボ1形と同様、前面を半円筒形状とし、5枚の窓を円周上に配置する形態の木造車体であるが、車体長は12mでデボ1形よりやや小型である。窓配置はD5D5D（D:客用扉）で、扉はデボ1形と同様の片側3か所配置であるが、扉間の窓はデボ1形より1枚ずつ少なくなっている。屋根上の水雷形通風器の数は屋根の両側面の両端部に2基ずつとなっている。このほか、正面・側面の窓は上部に丸みがないのもデボ1形との相違点となっている。主電動機は105馬力(78.33kW)のゼネラル・エレクトリック(GE)社製GE-240A形で、デボ1形と同じく2基搭載で、出力は下げられている。台車はボールドウィン製で、デボ1形の台車に比べホイールベースの短いBW-72-18Kが採用された。1949年、5両とも廃車となり、名目上モ600形628 - 632として鋼体化された。廃車後52は信貴生駒電鉄（現・近鉄生駒線）へ譲渡され、同社のデハ11号となり使用されたが、1958年に廃車された。