田町車両センターおよび高崎車両センター所属の本系列については、2011年度から増備が再開されたE233系3000番台によって置き換えが進められた。これは2015年3月の上野東京ライン開業に向けた措置である。田町車両センター所属車については2012年4月23日を以って定期運用を終了した。高崎車両センター所属車についても、E233系3000番台を基本編成17編成・付属編成16編成（250両）投入して置き換えを進め、2013年3月15日を以って高崎線直通を除く宇都宮線上野口の定期運用を終了。2014年3月14日を以って高崎線での定期運用も終了し、定期運用は両毛線のみとなっていた。置き換えられた車両のうち、グリーン車は2014年12月までに全廃。他の付随車も廃車が進められる一方、電動車・制御車は後述の長野地区や高崎地区ローカル運用に転用されている。
1990年3月にクモハ211形5600番台とクハ210形5300番台車を含む3連×3本が神領電車区に投入された。トイレなしで残っていた1次車4連×3本からサハを抜き取り、それを組み込むことで4連化した。この増備で神領区の4連は全てクハ210形5300番台車組み込みのトイレつきとなった。さらに静岡地区増備車として新区分番台、1M仕様車であるクモハ211形6000番台が登場している。C-CS59A形主制御器やC-MT64形主電動機を搭載するなど、走行装置は213系5000番台と同仕様であり2両編成での運転が可能となった。なおトイレは2連のため省略となり、クハ210形5000番台の連番で新製された。2連×3本が静岡運転所に配置され、輸送力増強用として御殿場線に投入された。3次車からの変更点は、先頭車助士席側上部の列車番号表示器を当初から省略して、車外スピーカーの取り付け位置が、窓間の吹き寄せから冷房装置キセ内に変更された。そのため、冷房装置は側面のスリット形状が変更されたC-AU711D-G4形に変更になった。側面方向幕はサイズは3次車と同様だったが、幕の書体がJR東海タイプの書体に変更された（ローマ字表記も頭文字のみ大文字のタイプに変更）。また211系6000番台については客室内貫通扉が213系5000番台や311系と同様の窓面積が大きいタイプに変更された。1991年3月には6000番台増備車が2連×6本が静岡運転所に投入された。この増備車では側窓が一部を除いて固定式に変更されている。なお、6000番台は、御殿場線での運用に適さず、今回の増備車とともに全車が東海道線での運用中心に変更された。
出自については謎が多く、脚本決定稿では2010年に現れたレイについて「7歳に見えるが5歳」という記述があることから、少なくとも2005年に誕生し、本来の人間より早く成長している。小児期の容姿を見た赤木ナオコが一目で碇ユイを想起したほど似ていることから、ユイのクローンと思われがちだが、魂はリリスの魂であり、肉体はEVA初号機に取り残されたユイのサルベージで得られたユイとアダムの遺伝子が半分ずつ受け継がれたハイブリッドである。そのため肉体はユイのコピー的なものとは言えるがクローンとは言えない。1人目や3人目に見られた残虐性はこのアダムの遺伝子によるものとされる。セントラルドグマに位置する地下プラントには多数の魂のないレイのクローン浮遊体が存在し、何らかの原因でレイが死んだ場合、魂をそれらの新しい肉体に移し変えることで復活する。記憶は定期的にバックアップが取られていたため、前の肉体で最後に保存した記憶までが次の肉体に受け継がれるが、感情面は保存されることはなく、結果として記憶に伴う感情は受け継がれない。しかし3人目のレイが涙を流したことなどを例に、魂の響き合いはあるとされる。魂の宿っていない肉体は、パイロットなしでエヴァンゲリオンを起動するための「ダミーシステム」のコアとして活用され、システムのパーソナルも綾波レイのものが用いられる。作中には3人のレイが登場し、1人目のレイは幼女のころNERVがゲヒルンから改名する以前、赤木ナオコに対してゲンドウの陰口をそのまま本人に伝え、激昂した彼女により絞殺される。シンジが初めて出会ったのは2人目のレイであり、第弐拾参話のアルミサエル戦において自爆死した後に登場したのが3人目となる。これによりシンジに対する接し方もリセットされ当初のように戻ってしまうが、劇場版ではシンジの激昂に反応すると、2人目のように「碇くん」という呼び方に戻り、シンジの元へと向かう。『新世紀エヴァンゲリオン2』によれば、アダムやリリスは、サードインパクトを起こし補完計画を発動する際、魂を導く道標としての役割もあり、ゆえにゼーレはアダムの魂を持つ渚カヲルを、ゲンドウはリリスの魂を持つ綾波レイを極秘裏にそれぞれ用意していた。ゲンドウは、レイ＝リリスに人類の魂を初号機（ユイ）の元へ導いてもらおうと画策していたのである。また、レイが心の奥深くにいるリリスと会話したり、地下の磔にされている肉体だけのリリスと会話する場面も存在する。そして、魂が移され綾波レイになったことで、リリスだった頃の記憶はほぼ持っておらず、綾波レイとしての肉体が長く保てないのは、本来の自分の肉体ではないからとされている。