103系は1973年（昭和48年）以降の製造車は基本的に冷房車となったが、それまでの非冷房車も1975年（昭和50年）度以降冷房改造工事を行った。冷房装置は新製冷房車と同じAU75形の集中冷房装置で、搭載にあたり車体の補強や側面行き先表示器の追加を行なった。冷房用電源もモハ102形に160kVAのMGを搭載することになり、既存の20kVAのMGと交換した。これらは新製冷房車に準じたものである。また、これらとは別に1975年夏に関西地区で先頭車のみ非冷房車の編成が投入されたが、扇風機回路を冷房起動回路に代用することによって一斉起動できるように施工された。その後関東地区にも同様の事例が発生したが、こちらでは両端の乗務員室内に新たに冷房起動回路用のスイッチ（冷房制御スイッチ）を取付けた。1981年（昭和56年）度からは中京地区でも冷房改造が始まり、冷房制御スイッチ取付が施工された。
改造工事は、形式間改造と呼ばれるものの他に、耐用年数を延長するための延命工事、線区の特性に合わせた付加設備を追加するもの、車両の性能や旅客設備の向上を図るものなどがある。ここでは国鉄時代とJR化後に大きく分けて説明する。国鉄時代からJR化後も継続して工事を続けたものは国鉄時代に始めた改造の方で取り上げる。
3500番台に加え、2006年3月には日根野電車区から阪和線で運用されていた0番台6両編成1本を借り受けた。姫路駅高架化工事の進展によって山陽本線ホームと播但線ホームを構内で入換することが一時的にできなくなり、221系電車による朝ラッシュ時の応援運用が不可能になるためである。ラッシュ時以外に使用されないことから、塗装も阪和線のスカイブルーを維持。同年11月に検査期限が近づき、かつ223系2000番台4次車投入で運用に余裕が発生した113系6両編成と交換された。全車最初期の1964年製造で老朽化が進んでいたため、2006年12月15日付けで廃車された。
地下鉄乗入用として、以下の車両が0番台と並行して製造された。乗入先各線はすべて保安設備が異なるため、投入路線ごとに仕様を変え、新たな番台が起こされているのが特徴である。
クモハ103-1 - 133・モハ103-1 - 159・モハ102-1 - 292・クハ103-1 - 114・501 - 616・サハ103-1 - 225の計1039両が該当する。山手線向けを皮切りに、首都圏各線区へ導入された。試作編成に存在しなかったクモハ103形とサハ103形が追加された。山手線に先行投入されていた試作車は、後にこのグループに合わせた仕様に改造されている。1967年10月以降に製造された「昭和42年度本予算車」から、客用ドアがステンレス製に変更されており、それ以前に製造された鋼製ドア車もステンレス製のものに交換されたが、改造工場・時期によって窓の支持にHゴムを使用したタイプと押え金具を使用したタイプがあり、併用車両も存在している。
103系の場合、通勤形車両として大量に生産されたことから、製造時期や使用目的などにより、様々な設計変更や、後述する番号の重複を避けるため、番台区分が行われた。そのため、車番により仕様の判別が可能である。
車体構造は101系に準じており、普通鋼が採用された。そのため、外観は前面以外101系と差がないが、床下機器が変更された。製造が進むにつれ設計変更が盛り込まれており、初期製造車と最終増備車で相違が大きい。屋根コンタは肩部から順に250R・1,000R・2,500R・5,000R(1500番台を除く)。
同時期に製造され性能特性も近い営団5000系などは、回生ブレーキ化によるトンネル内発熱抑制や経済化、性能特性改善のため界磁添加励磁制御へ改造されている。他にも大手私鉄では、同時期の抵抗制御車が界磁添加励磁制御に改造された例が散見されるが、2010年代前半までは国鉄及びJR各社は性能面の抜本改造に消極的だったため、実現していない。
ブライアン・スティーヴンソンはハーバード大学のロースクールを卒業し、弁護士資格を取得した。好待遇のオファーが複数あったにも拘わらず、ブライアンは使命感からアラバマ州で人権運動に携わることにした。同州で受刑者の人権擁護活動に励むエヴァ・アンズリーの協力もあって、彼は小さな事務所を設立することができた。1988年、ブライアンの元にとんでもないニュースが飛び込んできた。ウォルター・マクミリアンという黒人男性が白人女性を殺した容疑で死刑判決を受けたのだが、彼が犯人であることを示す証拠は一つとして存在しなかった。それにも拘わらず、検察側は誘導尋問などを駆使してウォルターを犯人に仕立て上げたのである。しかも、州の司法当局は杜撰な裁判が行われたことに対して全く関心がなかった。憤慨したブライアンはウォルターの無実を必ずや証明すると心に誓い、その弁護を買って出た。当初、ウォルターは「大学出のインテリ先生に差別の何が分かるというのか」などと頑なな態度を取るばかりであったが、ブライアンの奮闘ぶりを眺めているうちに、彼に心を開くようになった。こうして、ブライアンとウォルター、エヴァの3人は司法制度の不備及び黒人への差別意識という難敵と闘っていくのだった。