竣工後、直ちに米原機関区に配置され、線形の平坦な東海道・北陸線彦根－長浜間で区間列車用として単行運転にて就役開始した。その後、1936年（昭和11年）には既存の木造電車を改造したキクハ16800形制御車を増結し、当初計画どおりの総括制御運転を実現した。重量過大で十分な性能とはいい難かったものの、電気式故に既存技術の流用部分が多く、クラッチや変速機などを持たないため機関にかかる負担も少なかったらしく、運用期間中の故障はわずかであったと伝えられている。もっとも燃費は極めて劣悪・不経済であった。1934年2～4月の米原機関庫での実績によれば、1kmあたりのガソリン消費量は1.414Lで、後を追って開発された軽量機械式車のキハ41000形の3倍にも達した。戦時中の燃料統制で気動車の運行は困難となったため、1943年（昭和18年）までには休車となり、戦後になって機関を下ろした状態で新鶴見操車場や大井工場の職員通勤用客車として一時使用された後、大井工場で台車を装着したまま事務室代用として使用され、1949年（昭和24年）に廃車解体された。なお、本形式の廃車解体後、不要となった2軸台車2台はMT26形主電動機を装着したまま東洋工機に払い下げられ、台車は北陸鉄道ED301に、主電動機は東武鉄道日光軌道線ED611に、それぞれ転用されている。
ブレーキシステムは電車用制御付随車を連結して運行することが当初より考慮されていたため、当時量産中の電車に準じてA動作弁による自動空気ブレーキが採用された。ただし、運転台の自動ブレーキ弁はG-1-Aと称する機種が搭載され、ブレーキシステム全体もGA制動装置と呼称した。このG-1-Aブレーキ弁は長大編成での運行は考慮外であったため、内部に釣り合いピストンを内蔵しておらず、外部に釣り合い空気だめも必要としない、という簡易な設計のものであった。
台車は重量の関係で機関室側付随台車が3軸ボギー、客室側の駆動台車が2軸ボギーという変則的な構成とされた。しかも、両台車とも当時のTR72・TR14といった既存品に類似する釣合梁式ながら、H型鋼を複雑に加工した側枠を備える専用設計品が装着された。この時期既に次世代の省制式台車であるTR23・TR73は設計が完成しており、32系電車やスハ32系客車から量産採用がスタートしていたため奇異な印象を与えるが、これはその構造等から、自重過大を避ける必要があって採用されたものと推測されている。
主電動機は三菱電機の設計によるMT26が客室側2軸台車に2基、吊り掛け式で装架された。歯数比は26:56=2.15で、設計最高速度95km/h、通常は単車運転時が平坦線で75km/h、10‰上り勾配で50km/h、最大勾配となる12.5‰上り勾配で40km/hを発揮可能とした。もっとも、制御車連結時にはこれらの性能は著しく低下し、平坦線で68km/h、10‰上り勾配で32km/h、最大勾配となる12.5‰上り勾配で26km/hとなった。
制御器は当時の電気機関車用に準じた単位スイッチ式で、直並列切り替えにはCS5などの電車用制御器にも未採用の橋絡わたりが実装され、接触器を中間段階で挿入することで直並列切り替え時の主電動機出力低下による衝動発生を極力抑えるように工夫されていた。
機関からの動力を電力に変換する主発電機は機関直結式であり、発電機負荷電流の変動に対して出力を一定に保ちやすい他励式界磁を備えた、半密閉式自己通風型のDM29が芝浦製作所の手で設計された。この発電機は端子電圧750V時定格出力135kWであった。
車体はビード補強付き軽量ステンレス製である。踏切障害物対策として前面には補助排障器（スカート）、バリアフリー対策として連結面に転落防止幌、側面に乗降促進放送が流れる車外スピーカーを装備している。帯色は7200系とは異なり、東急時代の赤帯のままとされ、上田電鉄においても「赤帯」車と通称されている。その後、1002編成は2008年（平成20年）10月4日より原田泰治デザインのラッピング電車「自然と友だち1号」として運行を開始した。「自然と友だち」をテーマとした同ラッピングは、18種類の昆虫や植動物をモチーフとしたロゴが入り、客用扉も環境をイメージした青、大地をイメージした黄、愛情をイメージした赤の3色に塗り分けられている。同年12月25日より運行を開始した1003編成は、導入に際して原田デザインのラッピング電車「自然と友だち2号」となった。1002編成とは前面のデザインが異なり、1002編成が白を基調としたものであるのに対し1003編成では黒を基調としたものとされている。なお、2009年（平成21年）1月10日に運行を開始した1004編成は1001編成と同様に東急時代の外観のまま使用されていたが、2015年（平成27年）3月28日より廃車となった7253編成に代わり、「まるまどりーむ号Mimaki」として運行を開始した。長野県東御市にある、業務用大判インクジェットプリンターメーカーのミマキエンジニアリングが特別協賛になり、側面窓下にMimakiのロゴが入っている。6000系6001編成は2015年（平成27年）3月28日に特別試運転列車による出発式を実施し、3月30日に運転を開始。地元の戦国武将真田幸村の赤備えをイメージした赤基調の塗装に真田家家紋の「六文銭」をあしらった特徴的な外観となっている。この外装フィルムもミマキエンジニアリングが制作した。なお、中間車からの改造車のため前面の形状は1000系と大幅に異なり、一畑電車1000系に似たデザインとなっている。2015年（平成27年）6月13日に一般公募により「さなだどりーむ号」という愛称が付けられた。2016年（平成28年）2月、NHK大河ドラマ『真田丸』放送に合わせ、1001編成に同番組をPRするラッピングを施した。車内にも真田氏に関する年表などを掲示し、放送終了まで運行した。2017年（平成29年）1月、『真田丸』のラッピングは撤去され、赤帯に戻された。