韓国鉄道技術研究院は、HSR-350Xの後続の試験車として2007年から動力分散方式を採用するHEMU-400X（HEMUは High-speed Electric Multiple Unit の略）の開発に着手した。2010年には目標設計速度が30km/h高められてHEMU-430Xに改名した。2013年3月28日には試験走行で421.4km/hを達成したことで、鉄輪式鉄道の試験速度としてはドイツの記録を上回り、フランス・中国・日本に続いて4番目に速い記録となった。2007年の開発開始から2015年までに投じられた開発予算は1182億ウォンであり、商用化は早くとも2020年とされているが、目標とする営業速度370km/hを達成するには、既存の架線や信号システムを刷新するか新線を建設しなければならないため、その実現性が危ぶまれている。
ロテムと韓国鉄道技術研究院は、TGV Réseau編成をベースとして80パーセント以上を国産化した韓国型高速鉄道試験車G7/HSR-350Xを製作し、最高速度350km/hの運転を目指した。2004年12月の試運転では将来的に量産投入予定とされた10両編成から客車3両を抜いた7両編成で当時の韓国鉄道史上最高速度となる352.4km/hを記録した。韓国鉄道技術研究院は、これにより十分な成果が得られたとして営業用の量産編成の作成に取り掛かることとなり、「KTX-山川（KTX-II）」が完成した。
総合検査車（ROGER-1000K/韓国語版）は、電車線、軌道、通信、信号設備の検査が可能である。この車両は2004年4月にイタリアのメルメックから導入しており、検査装置は電車線と軌道はメルメック製、通信は米国のモトローラ製のものが設置されている。信号検査設備は国内LS産電で構築して搭載した。ROGER-1000Kは最高速度170km/h、運行速度160km/hである。しかし、全機能を使用しての検査がないまま検測機能を搭載したKTX-Iの第31編成での業務に置き換わっている。
2015年3月31日より営業運転に投入された車両（同年8月1日以降は湖南高速鉄道のみの運用）。湖南高速線・首都圏高速線の開通にあわせ増備された編成で、KTX-山川をベースに騒音の低減や座席数の増加などの改良を行っている。
2010年3月2日より営業運転に投入された車両。当初はKTX-IIとして開発されていた車両で、2007年の釜山国際鉄道産業展（BEXCO）に実物大模型2両分が展示されていた。後述の試作車HSR-350Xおよび従来のKTXで得られた技術的データや利用客からの声を反映させ、一般席は従来のKTXよりシートピッチを50mm拡大した980mmの回転式リクライニングシートを採用するなど、特にKTXで乗客の不満の種であった「座席の向きが変えられない」、「車体が小さくて窮屈感がある」等の居住性に配慮した設計とすると共に、列車運用に柔軟性を持たせ、KTXより若干短編成化した客車8両+両端動力車の編成となった（2編成併結運用もある）。定員は363席（特室30席、一般室333席）。
開業当初から運行している車両。列車は20両編成で、フランス国鉄（SNCF）が運用するTGV Réseau（レゾ）編成の韓国仕様。動力集中方式を採用、両先頭車が動力車で残り18両が客車となっている。先頭部のデザインはTGV Réseau編成より丸みを帯びたデザインとなっている。TGV車両との主な違いは、車両構体の強化である。TGV車両は車両構体の強度が不足しており、トンネル走行時に亀裂が入る恐れがあったことから、KTX編成においては、トンネル走行時に亀裂が入らないように、構体の強度を向上させている。定員は935席。車両は12編成がフランスのアルストム社によって、残り34編成が、アルストム社から主要部品を輸入することによるノックダウン生産にて、韓国現代-起亜自動車グループ傘下の地元メーカー、ロテム（現・現代ロテム）社によって製造された。製造年は1997 - 2003年、最高運転速度は305km/h。
2016年8月に、JR東日本・東武鉄道・越生町の3者において「越生駅東口開設事業に伴う基本協定書」を締結し、東口および東西自由通路の整備を行ってきた。これにより、2019年3月16日より東口と東西自由通路の供用を開始し、JRと東武の改札が分離された。2019年3月16日の東口開設以前は、JRと東武が駅舎・改札を共用する共同使用駅として、八高線のホーム脇の駅舎（現在の西口）にて駅業務・改札が行われていた。駅業務はJR東日本高崎支社による直営駅となっており、毛呂駅が当駅を管理していた。また、みどりの窓口が設置されていた。自動券売機はJR仕様のものが2台設置されており、Suicaおよび相互利用可能なICカードやオレンジカードで東武鉄道の乗車券が購入可能であった。改札分離前までは改札内でJRと東武相互間の乗り換えが可能であったが、2007年3月18日にSuica・PASMOの相互利用が開始されたことに伴い、跨線橋上にJR⇔東武連絡用の簡易ICカード改札機が設置された。ICカードで越生線を利用する場合は必ずこの簡易ICカード改札機にタッチする必要があり、タッチしないと実際の乗車経路とは異なった運賃が差し引かれていた。なお、当駅から入出場する場合は「改札口のICカード改札機」にもタッチする必要があった。また、JR・東武越生線にエレベーターが設置させたことにより専用の跨線橋を新たに設け、建屋内部にも同様の会社線連絡専用の簡易ICカード改札機が設置された。