空調装置は先代のE1系と同様に、1階と2階を個別に独立した温度管理で制御することが可能となっている。全自動運転モードもあり、コンピューター内に収録されたカレンダーに基づいて、季節に応じた温度管理をすることが可能となっている。また、当系列からの新機能として「暑い」「寒い」の2ボタンを各車両の空調制御機に設けることにより、利用者からの要望に対応出来るように配慮がなされている。
最高速度は240km/h。8両編成で定員は817人。2本連結した16両の定員は1,634人で高速鉄道車両としては世界最大級。E1系の12両編成から8両編成としたのは需要の関係により必ずしも12両編成で運行する必要がないことがあり、逆に輸送需要の多い時間帯の列車については2本連結した16両編成として、需要の多寡に応じた運用を可能とするのと、東北新幹線の場合、「つばさ」・「こまち」といったミニ新幹線車両を併結する場合にプラットホーム有効長などの地上設備が新幹線車両の標準である25m級車両16両分であることから、併結相手の車両運用についても冗長性を持たせるためでもある。一部、北陸新幹線の急勾配区間走行に対応した編成や、それに加えて軽井沢駅以西の商用電源周波数60Hzに対応した編成が存在する（後述）。8両編成中の電動車1.5両（3台車分）をカットした状態で（2.5M5.5Tの状態）、25パーミル上り勾配での起動を可能としている。
集電装置は200系と同様の下枠交差型パンタグラフが採用された。PS201と呼称される。集電舟（架線と接触する部分）が可動式となった微動すり板を採用したことにより架線追従性が向上し、台枠をFRP製にすることで誘導障害の低減を図った。また、降雪対策として押上げ力を5.5kgから7.5kgまで向上させた。車体が車両限界ギリギリで作られているためパンタグラフカバーはなく、パンタグラフ設置部の屋根が一段低くなっている。
ブレーキシステムは回生ブレーキ併用電気指令式空気ブレーキであり、E1系と同等に高速域からの減速では電動車の回生ブレーキで付随車のブレーキ力も負担する遅れ込め制御を導入している。4M4Tの編成の中で、T車のみ全機械ブレーキが、基礎ブレーキについてはM車とT車にキャリパ装置を採用している。
台車は、ゴム併用板バネ式ボルスタレス台車である。電動台車はDT208、付随台車はTR7007と称する。車輪径や軸距は200系やE1系と同値であり（それぞれ910mm、2,500mm）、台車枠や歯車装置はE1系と互換性を持たせている。また、車軸軸受には従来の油浴潤滑に代えてグリース潤滑が採用されている。
車体はE1系では普通鋼製であったが、本系列は車内販売ワゴン用の昇降機の設置など重量増分を補うため大型押し出し型材によるアルミ合金製である。トンネルドンと呼ばれるトンネル微気圧波現象および高速走行時の騒音対策で先頭車両の前頭部はE1系よりロングノーズになった（ノーズ長E1系：9.4メートル、E4系：11.5メートル）。車体の高さは4485mm。車体塗装は「飛雲」（白）と「紫苑」（青）のツートーンでその境目に黄色の帯が入る。標識灯にはE3系に続いて、外側に電球、そして内側にHIDランプを使用している。テールランプには、赤色LEDが長方形の形を作るように敷き詰められたものが使用されている。先頭車には分割・併合装置が収められ、E3系のL編成との連結運転、またはE4系同士の連結運転が可能である。
当系列は東北・上越新幹線の開業時に大量に新製された200系初期車両の老朽取替と、E1系導入後も増え続ける通勤旅客需要に対応するために1997年から2003年にかけて製造された。E1系と同様に全車2階建車両であり「Max」の愛称が与えられている。8両編成（定員817名）を2本連結した16両編成時には定員1634名（ジャンプシート使用時）となり、1本の高速列車の中では世界最大となる。なお、E2系10両編成(813 - 814名)とほぼ同じ定員数である。設計時のデザインコンセプトは「BIG WAVE」（雄大）、エクステリアコンセプトは「ELASTIC」（しなやか）。
日本に留学し、東京高等師範学校を卒業。帰国後は満鉄の嘱託となり、さらに奉天省塩運総局長、本渓湖煤鉄公司秘書などを歴任した。満州国建国後は、国務院人事処調査科長、文教部嘱託、民政部警務司外事兼保安科長、安東省教育庁庁長を歴任している。1937年（康徳4年）、満州国の機構改革とともに、総務庁次長に抜擢された。1940年（康徳7年、昭和15年）10月、大阪で開催された興亜厚生大会に満洲帝国代表として出席。1941年（康徳8年）1月、要人の大規模な世代交代に伴い、民生部大臣となる。1942年（康徳9年）9月、交通部大臣に異動した。谷次亨は日本語に精通しており、また、関東軍からの信任も厚かった。谷は関東軍の司令部をしばしば訪問し、中国人の思想動向を報告していたとされる。満州国が滅亡すると、谷次亨はソ連軍に逮捕され、シベリアに連行・収監された。1950年8月、中華人民共和国に引き渡され撫順戦犯管理所に収監される。後に特赦を受け、長春市図書館で勤務した。1977年、長春で病没。享年80。