機器の老朽化で低下した冷房能力を補うため、もともと冷房能力が不足気味であった中間の3両については10003・10005の運転台寄り屋根上にあったグローブ式ベンチレーターを撤去し、ここに11400系や18000系などと同型の分散式冷房装置がそれぞれ1基ずつ搭載され、さらに両車の階上席両端には家庭用ユニットクーラーと扇風機が搭載された。1970年（昭和45年）3月21日より座席予約システムによる特急券販売が導入されたが、本系列は試作的要素が高い特殊な編成で、座席の構成も非常に複雑なため、従来の手作業での発券を強いられた。また、1970年に開業した難波線への乗り入れは行われなかった。最終的には戦前の基本設計に由来するKM-7A集中式冷房装置の老朽化が著しかったことと、前述のように座席定員と配置が唯一異なり、座席指定のオンライン化対応が困難であったことから、万博輸送を終えた翌年の1971年（昭和46年）5月9日の鉄道友の会阪神支部主催によるさよなら運転を最後に運用を離脱し、就役開始からわずか13年で廃車された。標準品であった主電動機や制御器などの電装品群は2680系3両編成2本に流用されたが、台車は流用されず車体とともに廃棄されている。
1966年（昭和41年）11月12日に大阪線河内国分駅で発生した列車追突事故の際に、先行する上本町発名張行き準急（1480系）へ本系列による上本町発宇治山田行き特急が衝突、これに伴い宇治山田寄り先頭車であったモ10007の前頭部が大破した。すでに事故後、その特殊性ゆえにこの時期には既に持て余し気味であったことや、後継車である10100系を含め非貫通の流線型運転台は増結時の取り扱いについて非常に不便であったことなどから本系列の復旧は遅れ、特に破損の大きかったモ10007は翌1967年（昭和42年）6月になって、鉄道趣味者から「蚕」や「ブルドッグ」、「モスラ」とあだ名された特徴的な流線型前頭部を撤去し、当時新造中の18200系に準じた仕様の特急標識や密着式連結器を備える、貫通扉付き前頭部を新造搭載のうえで復旧された。この際、同車のみ4枚折戸を他系列と共通の2枚折戸に変更している。また、黄害対策として近鉄が保有するすべてのトイレ付き車両について、垂れ流し式からタンク式へ改造する工事を実施した際には、モ10001・07の車端部に設けられていたトイレはそのままタンク式とされたが、サ10004の車体中央部にあったトイレは床下スペースに余裕がなく、タンク式への改造が不可能であったため閉鎖され、代わりに使用頻度が極端に低下していたク10003の運転台を廃止・撤去し、そこに新たなタンク式トイレと洗面所を設置するという工事が1970年（昭和45年）に施工された。
1編成のみの製造、しかも特殊な編成であったため独立した運用が組まれ、主に上本町駅 - 宇治山田駅間の阪伊特急に充てられた。10100系や10400系が登場した後はいわゆる脇役的存在に回り、塗り分けも10100系と共通のものに変更された。なお本系列は7両編成での運行が基本であるが、時には片側2両の電動車ユニットを外した5両編成や、中間の2階建車両ユニットを抜いた4両編成で運行されることもあった。また、試作車故に1編成しか在籍せず予備車が存在しないという事情から、万が一電動車ユニットに故障が生じた際に代用できるよう同系主電動機を搭載する10400系の電動車ユニットについて、本系列と混結運用が可能なように制御器などの改造が施されたという逸話も残されている。
ダイヤ作成上の基準となる走行性能については、基本的には4M3T（台車数では8M4T）で起動加速度3.0km/h/s・減速度4.0km/h/s・平坦線均衡速度135km/h・33‰勾配における均衡速度85km/hとなるが、デッドウェイトとなる中間のトレーラー（付随車・制御車）を抜いた4M編成時には、平坦線均衡速度145km/hという当時としては驚異的な高速性能を有していた。
HD DVDの記録メディアにはDVDと同様に読み取り専用型と記録型の規格が存在する。書き換えができる記録型HD DVD規格はランドグルーブ記録を採用しているHD DVD-Rewritable (HD DVD-RW) の規格策定が行われていたが2層化が困難なことなどからHD DVD-Rの基本構造を継承したHD DVD-ReRecordable規格を策定しHD DVD-Rewritableの名称を「HD DVD-RAM」に変更、HD DVD-ReRecordableの名称を「HD DVD-RW」と決定した。「RW」はデータ用のみ2007年7月からPCメーカー等に向けてサンプル出荷されており、2007年12月に製品化されている。また、ビデオ用「HD DVD-RW」も2008年2月に製品化が発表されたが東芝の撤退により対応するビデオレコーダーは発売中止となりメディアの発売も中止された。しかしその後、磁気研究所、あきばんぐダイレクトが台湾RiTEK社製のHD DVD-RWメディアの販売を開始した。この製品はAACSに対応しており、書き込みに対応したQosmioシリーズの一部で地上デジタル放送のムーブが可能である。現在のところ、日本国内で入手可能なHD DVD-RWメディアはRiTEK社製のものだけである。「RAM」の製品化はされていない。多層化に関しては2005年5月に片面3層45GB（1層15GB）HD DVD-ROMの開発発表が行われ、2007年のCESにて片面3層51GB（1層17GB）HD DVD-ROMの発表が行われた。また片面3層51GBのHD DVD-ROMについては2007年9月12日にDVDフォーラムによって規格化がなされ、11月15日に正式にver.2.0として承認され規格化を完了したが製品化はされていない。