電源は交流50Hz・25,000V（新幹線）と交流50Hz・20,000V（在来線）の両方に対応している。力行・制動方式は可変電圧可変周波数制御（VVVF制御）で、使用する素子は、前期製造車両がGTOサイリスタ、後期車両がIGBTである。電動車2両おきに主変圧器を1台搭載し、各電動車両の主変換装置（CI5〔R1編成のみ〕/ CI5A）によって主電動機を駆動する。主変換装置1台当たり4台の電動機を制御する。主電動機は、E2系と共通のかご形三相誘導電動機 MT207 を採用する。連続定格出力は300kWである。台車は、ボルスタレス台車 DT207（電動車両）・TR7005（付随台車）で、基本的な構造は400系に準じている。車輪径は860mm、軸距は2,250mm、軸箱支持方式はSUミンデン式である。歯車比は3.04である。ブレーキ装置は、応荷重制御および遅れ込め制御を備えた回生ブレーキ併用電気指令式空気ブレーキ方式を採用する。常用ブレーキ、非常ブレーキ、抑速ブレーキ、耐雪ブレーキおよび直通予備ブレーキの5種類を備える。運転保安装置は、新幹線区間の自動列車制御装置（ATC-2型・DS-ATC）と在来線区間の自動列車停止装置（ATS-P型）が装備されている。
分類上は新幹線車両ではあるが在来線も走行するため、車体長20,000mm・車体幅2,950mmと車体の狭い在来線の規格に合わせている。アルミニウム合金で製作された車体は、400系より1両平均2tの軽量化を実現した。車体幅の小さい本系列では、新幹線の各駅でプラットホームとの間に大きな隙間ができるため、ドアの部分には延長ステップが装備され、新幹線の各駅での停車中に限り自動的にステップがドアの下から回転して上がるようにセットされ（車体の両側のドアのステップが上がる）、ホームとの隙間を埋めている。東京寄りの先頭車（11号車）には分割・併合装置が収められ、200系やE2系・E4系・E5系・H5系と連結運転を行うことができる。車両側面にはLED式行先表示器が設置されており、列車種別・座席種別と行先を交互に表示する。
1997年（平成9年）に開業した秋田新幹線に投入される新幹線車両として開発が開始され、1995年に量産先行車として5両編成が1本落成した。新幹線区間における最高速度を275km/hまで向上させ、各種高速化を図る新機構を搭載して走行試験を行い、1996年から量産車が落成した。その後も1999年（平成11年）に山形新幹線が新庄駅まで延伸開業した際の増備用の1000番台（同年12月4日営業運転開始）、山形新幹線用400系の置き換え用として2008年（平成20年）12月以降に投入された2000番台が増備され、0番台を改造した「のって楽しい列車」として山形新幹線・上越新幹線で運行されている700番台の4種類が存在する。製造は川崎重工業と東急車輛製造が担当している。2014年現在、日立製作所が車体を製造をしていない唯一の営業用新幹線電車でもある。車両・客室・車両ロゴデザインはいずれもGKインダストリアルデザインが担当した。
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