「新しさ・北海道らしさを表現した」デザインが指向されている。形状はGV-E400系を踏襲した。この形状は踏切事故によるオフセット衝突（前面の片側だけが衝撃を受ける正面衝突の仕方）を考慮しており、上から見た時に運転士側と助士側をそれぞれ後部に傾斜させることで、衝撃を枕木方向に分散させる。側面は「自然の多い北海道の大地を走行する車両」を想起させるデザインとしている。帯色は「夏の植物を表す」濃いグリーン、「冬の雪を表す」白の2色の平行四辺形を重ね、重なり合う部分をコーポレートカラーのもえぎ色とし、「自然との調和を表現」している。なお、帯の途中には「H100」の文字が切り抜かれている。前面は黒色基調とし、もえぎ色と警戒色の黄色の帯を配している。
GV-E400系の両運転台車GV-E400形と基本的に同一であるが、酷寒地対策がなされる。なお、GV-E400系には片運転台車が設定されているが、本系列は北海道のローカル線における運行形態を踏まえ片運転台車は予定されていない。
従来のJR北海道の気動車形式は国鉄気動車の付番規則をおおむね踏襲していたが、本系列は既存車両と大きくシステムが異なることから、H5系新幹線電車で用いられた「北海道（Hokkaido）」のHを冠した形式名とし、加えて気動車を表す「キ」、普通車を表す「ハ」の用途記号も省略されている。
製造から30年を超え老朽化したキハ40形などの一般型気動車の置換えを目的に開発された車両であり、JR北海道の電気式気動車では初めての、ディーゼル・エレクトリック車である。同時期に製作された東日本旅客鉄道（JR東日本）GV-E400系気動車と基本設計を共通とし、酷寒地対策などの仕様変更を施している。製造もGV-E400系と同様川崎重工業が担当した。「DECMO（デクモ）」の愛称を持つ。
2011年シーズンもチームメイトは前年同様ハミルトン。フライアウェイラウンドは出遅れ、マレーシアで2位表彰台を飾るもののハミルトン相手に遅れる展開が目立っていた。第5戦のスペインGPにおいては激しい3位争いを制してシーズン2度目の表彰台を飾る。第6戦のモナコGPではベッテル、アロンソと対等な争いを演じ、一時トップ走行でベッテル、アロンソを上回るペースであったものの、作戦のアヤとセーフティーカーのタイミングがあまりにもバトン不利に動いたのが響き、最終的に3位に終わった。第7戦のカナダGPは大雨のレースであった。序盤、チームメイトのハミルトンとの接触。セーフティーカー中の速度制限違反のペナルティー、さらにレインタイヤの交換タイミングを誤り、下位を走行する羽目になってしまう。赤旗再開後追い上げるもののアロンソとの接触でウイング交換を強いられまたもやピットイン。一時は最後尾まで順位を落としてしまう。しかし路面が乾きだし、ドライタイヤを装着すると猛烈にペースアップ。雨を見越して重めのウイングを装着していたのが功を奏し、尋常ではないペースでオーバーテイクを連発する。残り3周の時点でトップを走るベッテルの背後につく。そしてファイナルラップでベッテルはバックストレッチの第2シケインでバトンの圧力に屈し、ハーフスピンを喫してしまい、そのままベッテルをオーバーテイクしたバトンが奇跡の大逆転で2010年中国GP以来の優勝を果たした。前回の中国GP同様、路面状況や展開が二転三転する中での優勝劇であり、バトンのレース状況を読み切るポテンシャルの高さや、レイン状態から乾きかけの路面における速さを改めて証明する形となった。第9戦イギリスGPはピット作業のミスで、第10戦ドイツGPはマシントラブルで二戦連続リタイア。200戦目の節目となった第11戦のハンガリーGPはレース前に降った雨の影響でドライとレインが混合する難しい路面状況となった。ウェットトラックだった序盤はやや出遅れるも路面が乾きだした中盤以降ペースを上げ、僚友のハミルトンと激しい首位争いを演じる。レースも終盤に入ろうとした頃またもコースに雨が落ち始めたが、バトンはドライタイヤのままコースに残ることを選ぶ。結果的に雨はすぐ止んでしまったためこの選択が功を奏し、ウェットタイヤに履き替えたハミルトンは順位を落としてしまう。その後は余裕のトップ走行でチェッカーを受け、200戦目、自身初優勝を飾ったハンガロリンクで2度目の優勝を果たすというメモリアルな結果になった。余談だがF1ハンガリーGPでレインコンディションとなったのは過去2回だけである。2006年のレインレースに加え2度目のレインレースも勝利した。その後も好調は続きベルギーGPは予選でのミスで13番手スタートながらも果敢にオーバーテイクを決め3位、続くイタリアGPとシンガポールGPで2位と表彰台に登り続けた。しかしその間もベッテルが連勝しチャンピオンシップのリードを広げたために、この時点でベッテルのチャンピオン獲得を阻止できる可能性が残るのはバトンのみとなった。ベッテルの2度目のワールドチャンピオン戴冠が確実視された第15戦日本GPでは、フリー走行全セッションでトップに立ち、予選ではポールポジションのベッテルに0.009秒差で二位につける。最低でも自身が優勝しなければベッテルのワールドチャンピオンが決まる中、持ち前のタイヤマネージメントとピット戦略で中盤トップを逆転し、そのまま逃げきり優勝。自身が愛してやまない鈴鹿初制覇となった。因みにバトンのドライレースでの勝利は2009年トルコGP以来のことで、マクラーレン移籍後初である（これまでの4勝は全てウェットレース）。しかしベッテルが3位に入りチャンピオン獲得条件の1ポイント以上を手にしたため、戴冠阻止はならなかった。その後は第16戦韓国GPで4位、続くインドGP、アブダビGP、ブラジルGPで表彰台をキープしてアロンソやウェバーとの争いを制し、同じく3勝したものの安定感に欠けたハミルトンを上回りドライバーズランキング2位の座を守った。特に後半戦はハンガリーGP以降は韓国GPを除いて表彰台に登り続け、ベッテルの圧倒的な速さには敵わなかったものの安定感が光ったシーズンであった。シンガポールGP後には、マクラーレンと新たに2014年までの複数年契約を結んで残留を決めている。。またこの年より導入されたピレリタイヤは摩耗性が高く管理が難しいものであったが、そのピレリタイヤを最も有効に使えたという評価を受けた。