亀山鉄道部に0番台8両（7・8・11 - 16）と300番台6両（301 - 306）が配置され、関西本線亀山駅 - 加茂駅間で運用されている。2001年3月までは木津駅経由で奈良駅まで入線していた。大多数の列車が2両編成で運転されている。塗色は前面と屋根・裾部に紫。
2018年4月1日現在の車両配置は下記のとおり。岡山気動車区所属の車両を除いて基本的に鉄道部単位で運用に入る。国鉄キハ40系気動車等の従来型気動車とは総括制御を行うことができないため、従来車とは完全に分離された運用が組まれている。
初期車の製造から25年経過したことを受け、安全性・快適性の向上を主な目的に2017年度から着手。事業費は1両当たり約2500万円で2021年度までに全89両を対象に実施予定。改造内容はシート袖部分の仕切り大型化と手すり・つり革の改良、前照灯LED化、車内照明の間接照明化及びLED化、LED式フォグランプ追加、運転席ガラス強化、ドアチャイム設置など。工事完了第1号となるキハ120-208が2017年7月14日に後藤総合車両所を出場し、7月16日に木次線列車支部で報道陣に公開された。2018年4月1日現在、キハ120-204・205・208・301・357の5両が工事を完了している。
超音波センサーでホームを検知して、ワンマン運転中に運転士がホームと反対側のドアを誤開扉するのを防ぐ為の装置で、スカートの裏側にセンサーが4つ付いている。2009年2月より亀山鉄道部所属の全編成に設置工事が行われ、2011年以降は他線区の車両にも順次工事が行われている。
JR福知山線脱線事故の調査報告書に対する建議の対策として、運転状況記録装置の取り付けが行われている。装置本体は冷房ダクトとの位置関係から、トイレ前に床置きされている。配線を引き通すためトイレ設置工事の際と同様に窓が塞がれている。この工事に関連して車掌用のドア開閉スイッチがこの装置内に移設されている。
コスト削減のため新製時からトイレが設置されなかった。乗客に対しては行き違い待ち等で停車中に駅トイレを利用するように促す策が取られ、当時の車内には『トイレのある駅』の掲示があったが、乗り通すと長時間の乗車となる上に運行本数が少ない路線が多く2007年3月末までに全車両に洋式トイレが設置された。これにより客室内に死角ができるため運転室後方にルームミラーが追設され、トイレ設置前に有った客用窓はステンレス版あるいは鋼板で塞がれた。越美北線用の車両は福井豪雨からの復旧工事中に改造された。しかし、トイレ設置後も運用区間が短いことや孤立区間にある越前大野駅構内に汚物抜き取り設備が無いことを理由に、改造後もしばらくは「このトイレは使用できません」表記の貼り紙を貼っていたが、2007年6月30日の全線復旧を機に使用を開始した。
新造後、以下の改造が行われた。下記のほか、スカートの延長工事、気笛の変更、ウィンドウォッシャーの取り付け、列車接近警報装置の取り付けなどが一部の車両で行われている。
元は、鉄道作業局がアメリカのボールドウィン・ロコモティブ・ワークスで6両を製造した車軸配置2-6-0(1C)形で2気筒単式の飽和式テンダ機関車である。メーカーにおける種別呼称は、8-30Dである。本形式は、日本の国有鉄道が初めて導入したアメリカ製の機関車である。導入は2次にわたって行われ、1890年（明治23年）3月に2両（製造番号10743, 10744）150, 152、1893年（明治26年）9月に4両（製造番号13756 - 13758, 13763）222 - 225が製造された。これらは1894年（明治27年）の改番で、101, 103, 138 - 141と改称されている。当初の形式はX形であったが、鉄道作業局ではE3形と称した。私鉄国有化を受けて1909年（明治42年）に実施された鉄道院の車両形式称号規程では、8150形（8150 - 8155）に改番された。形態は、典型的なアメリカ古典機スタイルで、ボイラーはストレートトップ型、煙突は1次車が先端に向かって開いた形のパイプ型、2次車はストレート形でキャップ付きである。煙室は延長形で、その中に火の粉飛散防止用の金網が張られ、従来のアメリカ製機関車に見られたダイヤモンドスタックは姿を消している。また、1次車は前端梁にカウキャッチャーを備えていた。原型における運転室は木製であったが、後年すべて鋼製に改修された。また、運転室は小型でそのほとんどがボイラーが占めており、機関士は外火室の右側を定位置とし、機関助士は炭水車の上から投炭した。炭水車は、片ボギー式の3軸型である。本形式は、東海道線（当時）の山北・御殿場間や信越線の勾配線区で使用されたが、1906年（明治39年）に2両が北海道に転属し、旧北海道官設鉄道の路線で使用された。その後、全車が北海道に渡り、網走線、名寄線、宗谷線で使用された。廃車は1927年（昭和2年）で、いずれも解体された。