原子価互変異性は原子価が2以上の原子同士の結合が変化するような互変異性である。化合物の骨格が異性化するような互変異性になる。この互変異性は可逆な転位反応といえる。例えば室温でコープ転位を起こすブルバレン誘導体は原子価互変異性を起こす（置換基のないブルバレンのコープ転位生成物はブルバレンであるので互変異性体は存在しない）また、チオアミドが2個連結した化合物は4員環状の化合物である1,2-ジチエットと互変異性体として存在することが知られている。
核内互変異性はプロトン互変異性の一種であり、X,Yが芳香環に組み込まれているものを指す。代表的な核内互変異性はケト-エノール互変異性でもある2,4-シクロヘキサジエノン（ケト型）とフェノール（エノール型）の互変異性である。芳香族化による安定性からエノール型であるフェノールのみが確認できる。同様にシクロヘキサ-2,4-ジエン-1-イミン（イミン型）とアニリン（エナミン型）では芳香族であるアニリンのみが確認できる。しかしヘテロ芳香族化合物では必ずしも芳香族化した互変異性体が安定とは限らない。2-ピリドン（ラクタム型）と2-ヒドロキシピリジン（ラクチム型）のラクタム-ラクチム互変異性では、前者が極性溶媒中と固相中で優位、後者が非極性溶媒中と気相において優位であることが、紫外吸収スペクトルなどから知られている。一方2(1H)-ピリジンイミンと2-アミノピリジンでは芳香族化した2-アミノピリジンだけが観測される。DNA や RNA が持つ核酸塩基も核内互変異性を示す。通常それぞれの塩基は安定なケト型やアミノ型をとっているが、それらが不安定なエノール型やイミノ型へと互変異性化することで、本来ミスマッチで好まれないはずの塩基対 (A:C, G:T) を作ってしまう。このことは、一万から百万塩基の中で一塩基程度の割合で起こるとされるDNAポリメラーゼ上の偶発的突然変異の原因のひとつと考えられており、構造化学や分光学、計算化学による検討が行われているトピックである。
箱型両運転台を採用し、外板には腐食防止の観点から耐候性鋼板を使用している。側面には機器取り出し口を、冷却ダクトを内蔵した屋根は機器脱着を考慮した2分割の取り外し可能な構造となっている。高運転台式非貫通の前面形状を有し、正面窓上に短い庇を設けた。また、予讃線に存在する鳥越トンネル以西の超狭小トンネルを通過するための対策を施しており、四国島内の電化区間直通を可能としている。機械室は1室とし、中央部にVVVFインバータと補助電源装置を設置している。通路はZ形とし、車体中央で通路配置が逆転する。これは機器室内の通路幅を確保し、整備性の向上に配慮したもので、このため側面の窓配置は向かって左側に採光窓が並び、向かって右側に通風孔を設ける配置となる。GTO 素子を用いたVVVFインバータでかご形三相誘導電動機を制御するシステムはEF200形電気機関車と同一であるが、製作および運用コスト低減のため、本形式は国内機関車では初となる1台のインバータで2台のモーターを制御する 1C2M 方式を採用した。なお、2000年以降に新造された100番台ではインバータの構造がIGBT素子に変更され、1台のインバータで1台のモーターを制御する 1C1M 方式となった。1時間定格出力565kWの主電動機を吊り掛け式で6基搭載し、機関車全体で3,390kWの出力を確保しているが、本形式は日本の電気機関車として初めて「30分定格」の概念を採用し、定格出力 3,540 kW（30分）の設定で設計された。これらの対応により、絶対的な性能はEF200形（1時間定格出力 6,000 kW）に比べ大幅に切り下げられているが、東海道本線関ヶ原付近の連続勾配 10 ‰ での運用が可能となり、EF66形電気機関車との共通運用もできる。補機類や計器類の電源を供給する補助電源装置には、GTOチョッパ+IGBTインバータで構成された静止形インバータ(SIV)を採用し、三相交流440V 60Hzと直流100Vを出力する。台車は軸梁式ボルスタレス台車の2軸ボギー台車で、ヨーダンパが取付けられている。車体支持方式は空気ばね、動力伝達はリンクを介した低心皿方式である。軸箱支持は軸はり式による弾性支持とし、台車に搭載される駆動装置は1段歯車減速吊り掛け式としている。基礎ブレーキ装置は、保守省力化の観点からユニットブレーキを使用した焼結合金制輪子による片押し式としている。ブレーキ方式は発電ブレーキ併用の電気指令式空気ブレーキとし、関ヶ原付近の10‰連続下り勾配において1,300t貨物を抑速運転できる性能を持つ。中間台車には、ばね式留置ブレーキをユニットブレーキに内蔵している。空気ブレーキなどで使用される圧縮空気を供給する電動空気圧縮機は、FMH3008-FC3000A形を1基搭載する。電動機などの冷却に使用する電動送風機は、FMH3012-FFK12形を8基搭載する。内訳は、電動機・インバータ用が3基、排塵用が3基、ブレーキ抵抗器用が2基である。運転整備重量は100.8tとされ、EF66形と同等である。軸重16.8tは日本の主要幹線における通常の許容上限まで採った状態で、粘着力確保の意図がある。