登場当初は未改造の3000系と連結する形でも運用された。末期は10両編成（または2両を抜いて8両編成）で運用されていた。また新造車両の3514のみは、6000系との混結が可能な設計となっていた。
前述のように主電動機は3000系時代の昭和30年代半ばに東洋電機製造製直流直巻電動機TDK-544-1/Aに統一・更新されており、そのまま流用している。主電動機の動力伝達方式も吊り掛け駆動方式のままであり、直角カルダン駆動方式を採用した6000系に比べると騒音や振動の面で劣る。台車は、電動車は軸箱支持方式がウィングばね式で枕バネにコイルばねを用いた東急車輛製造製のTS-108、制御車および付随車は当初クハ3510形が流用品のTR25A、サハ3510形は新造の軸箱支持方式がペデスタル式の空気バネ台車である東急車輛製造製TS-323であったが、1968年（昭和43年）にクハ3510形もサハと同型の空気バネ台車であるTS-323Aに交換された。ブレーキ装置は当初電磁自動空気ブレーキであったが、1977年（昭和52年）に6000系・7000系と同じ日立式電磁直通ブレーキに改造された。
内装も6000系とほぼ共通で寒色系の配色でまとめられており、壁面や床は青緑色、座席は全てロングシートで紺色（昭和40年代後半から50年代前半頃に緑色の物に張替えられた）。空調装置は天井に扇風機、座席下に暖房器を設置している。照明については、6000系と比べ蛍光灯の数が少なく、一本当たりのワット数も小さかった。
新しい車体は、同時期に製造されていた6000系電車（旧6000系）を元にした20m級通勤型の車体で、ドアの数は各車両とも片側4つ両開き式を採用。デザインも6000系を基本としているが、車高がやや高く、流用品である尾灯の形状（旧6000系は角形、3010系は丸形）などの細部が異なる。
前述の初代3000系の足回りと63系タイプの車両から7両分の台枠を流用し、1964年（昭和39年）から1966年（昭和41年）にかけて、5回に分け東急車輛製造で新規に製造した車体を組み合わせた車両である。これに加えてサハ3514を完全な新造することで合計10両が3010系として落成した。
前述のようにクハ3503が電装化、方向転換されてモハ3006に変更されている。また、桜木町事故で悪名が高かった63系グループの狭い3段窓については1955年（昭和30年）に2段窓への改造が行われたほか、電動車については1959年（昭和34年）から1960年にかけて主電動機や台車の交換が行われた。
現在の愛媛県西宇和郡伊方町に、商店を営んでいた毛利久松の四男として生まれる。大洲中学校（現・愛媛県立大洲高等学校）を経て、少年時代より犬養毅を崇拝していたこともあり、慶應義塾大学法学部に進学する。在学中に真崎甚三郎を訪ね、軍部について意見を求められ「軍は横暴です。もっと謙虚でなければいけません」と直言したことがある。1938年に慶大を卒業し、南満州鉄道に入社する。敗戦は撫順炭鉱労務課長として迎えた。捕虜2万人の管理者だったことから八路軍に逮捕されるも、捕虜の扱い方が温情あるものだったと弁護する者が現われ釈放される。引揚げ後は東京で「大和企業」を設立し、衣類や日用品等を商っていた。1952年、政界進出の志望を固め、旧知の政治評論家岩淵辰雄に有望な政治家として三木武夫をすすめられ、三木のもとを訪れて改進党の公認を得ることに成功、旧愛媛3区から総選挙に立候補するも落選。1953年・1955年と3回連続落選し、1958年の第28回衆議院議員総選挙にて初当選を果たす（当選同期に竹下登・金丸信・安倍晋太郎・斎藤邦吉・倉成正・谷川和穂など）。以後当選9回。外務政務次官、衆院大蔵委員長、自由民主党副幹事長などを経て、1974年第2次田中角榮内閣第1次改造内閣にて環境庁長官となる。在任中は環境庁長官として初めて名古屋新幹線騒音公害の視察を行うなど「行動する長官」をアピールしたが、南アルプススーパー林道建設問題では地域経済の発展も重視する立場から、現地視察の上「自然はスズメやカラスのためにだけあるのではない」と述べ、着工を容認した。その後三木内閣が発足すると、丹羽兵助・森山欽司と共に「お辞儀3人衆」として他派閥との折衝・調整に尽力した。1983年勲一等瑞宝章受章。柔道7段・空手5段・合気道は免許皆伝と、政界随一の武道の達人であり、1980年には日本武道館理事長に就任した。戦後の東京で民族活動に明け暮れていた大山倍達と知己を得たといわれており、国際空手道連盟極真会館の設立に貢献し発足当初副会長、後に会長に就任する。また、思想・信条はリベラル色の強い三木派とは合っておらず、前述の通り「三木をすすめられたので三木繋がりをもった」という経緯。三木派には珍しく、近藤鉄雄とともに親台湾派を貫いており、他派とのつながりも深かった。1985年5月24日、心筋梗塞のため死去。71歳没。