国鉄415系電車
415系電車（415けいでんしゃ）は、日本国有鉄道（国鉄）が設計・製造した交直流両用近郊形電車。
国鉄分割民営化時には東日本旅客鉄道（JR東日本）と九州旅客鉄道（JR九州）に継承されたほか、民営化後にJR東日本が製造発注ならびに西日本旅客鉄道（JR西日本）が113系から改造・編入した車両が存在する。
なお、本項では製造目的の共通する以下の車両系列についても記述する。
国鉄のカルダン駆動方式の電車としては初の両開き3扉構造の近郊形電車であり、交流電化区間と直流電化区間の電源を車上での切換えで直通運転する交直両用電車の実用第1号として開発され1960年から製造開始された。
401系は直流/交流50Hz対応、421系は直流/交流60Hz対応による相違。403系は1966年から、423系は1965年から製造された401系・421系の出力増強形。415系は直流/交流50Hz・60Hz両用とした系列で1971年（昭和46年）から製造された。
このため交流50Hz用の401・403系は電動車ユニットのみ形式が異なり、制御車のクハ401形は共通、交流60Hz用の421・423系も同様で制御車はクハ421形とされた。一方で415系は制御車の形式はクハ411形とされた。
本系列新製時の車両基地は、常磐線・水戸線用が401系量産先行試作車を除き勝田電車区、九州地区用は415系100・200番台5編成を除き南福岡電車区への集中配置とされたほか、基本設計も415系まで踏襲されている部分が多いが、運用線区の違いなどから行先標（サボ）受の位置が異なるなど外観等に多少の差異が見られる。
401・403・415・421・423各系列に共通する部分について解説を行う。
車体は153系を基本とする軽量形鋼を溶接で組立てた全金属製セミモノコック構造で車体幅2.9mの裾絞り断面形状を採用。車体長も同様に中間車で19.5mとしているが、1500番台では211系を基本とした軽量ステンレス車体とし、車体幅は車両限界一杯の2.95m裾絞り断面形状としたほか、前頭部にFRP製化粧キセを装着する。近郊形として通勤使用を考慮し70系同様のデッキなし片側3ドアとした上で客用扉は新たに101系と同じ1.3m幅の両開き扉とした。また、側窓は101系と同じく2段上昇式となっているが、1500番台では1段降下式と相違があるほか、交流区間での絶縁距離を確保するため屋根上パンタグラフ搭載部分は低屋根構造とした。
座席配置も70系のセミクロスシートを基本に改良を実施。中間車の扉間は戸袋部分を2人掛けロングシートとし、その4人掛けボックスシートを4組設置。車端部を3人掛けロングシートに4人掛けボックスシートが2組とし座席定員76名とした。通路幅は153系の540mmから860mmと拡大。また4人掛けボックスシートの座席は幅が狭く窓側の肘掛けを省略されたが、415系100番台以降は4人掛けボックスシートの寸法と形状を急行形電車と同一とした。トイレは70系同様に制御車に設置。汚物処理装置は当初粉砕式を、その後は循環式を装着した。これらの構造は、以後長らく新性能近郊形電車の標準となった。
クハ401・421形の前面は、クハ153形0番台同様にパノラミックウインドウを採用し併結運転を考慮した貫通路を設置。運転室のフロントガラスが大きい低運転台構造とされたが、踏切事故対策から1961年下半期以降に製造されたクハ401-23・クハ421-17からはクハ153形500番台同様の高運転台に変更。また、403系・423系用を含め屋上通風器なども同時期に製造されたクハ111形に合せた改良が実施された。
主回路機器は101系をベースに交流区間での脈流対策を施工。当初開発された401・421系では主電動機はMT46A形直巻整流子電動機を改良したMT46B形、主制御器も同様に電動カム軸式で401・421系はCS12B形を415系はCS12G形を、主抵抗器も同様に強制風冷式のMR61形を搭載する。
ブレーキ方式は発電ブレーキ併用電磁直通ブレーキを採用。
パンタグラフは架線電圧交流20KVでの無加圧区間を250mm以上確保する必要から、PS16形の台枠・空気配管を変更したPS16B形とした。
台車は、枕バネにコイルバネを使用する揺れ枕吊り台車で電動車用が101系と同一のDT21B形、付随車用がDT21B形をベースに台車枠形状などを付随車用に変更したTR64形を装着しており、基礎ブレーキは両者とも踏面ブレーキ式を装備している。軸箱支持装置は軸箱の下部左右に翼状の座を出してその上にコイルバネを配置して側枠からの荷重を受け止めるウィングバネと軸箱守（ペデスタル）で支持するペデスタル方式である。ただしクハ401-47・421-41以降の付随車用の台車はクハ111形同様にディスクブレーキを装備するTR62形とし、ブレーキ容量が増大された。1500番台では、211系と同様の枕バネにダイヤフラム式空気バネを使用したボルスタレス台車であり、軸箱支持装置も円錐積層ゴム式であるる。電動車用がDT50C、付随車用がTR235Cを装着しており、基礎ブレーキは前者が踏面ブレーキ、後者がディスクブレーキを装備している。
電動車は2両で1組のMM'ユニット方式を採用。M車には床下に主制御器・主抵抗器・電動発電機（MG）などの機器を、M'車には屋根上にパンタグラフ・交直切替器・交流遮断器などの機器と床下に主変圧器・主整流器・蓄電池・交直転換器などの機器を搭載する。主電動機冷却風は、車体端部に設置した取入口からダクトを介して取込む方式とした。
主変圧器は、401系がTM2形、421系がTM3形、403系がTM9形、423系がTM10形、415系がTM14形もしくはTM20形を搭載。冷却方式は送油風冷式を採用するが、TM2形・TM3形は使用される絶縁油にPCBを主とする不燃性油が使用されていたが、PCBによる環境汚染が社会問題化したためTM20形ではシリコン油が使用された。
主整流器は素子にシリコン整流子を採用した全波整流単相ブリッジ式で､401系がRS1形・RS2形、423系がRS3形・RS4形、415系がRS22A形を搭載。冷却方式は電動送風機による強制式が採用されていたが、415系500番台最終増備車・700番台・1500番台では走行風を利用した自然冷却式のRS49形に変更された。
先行試作車から1961年（昭和36年）落成分まではローズピンク（赤13号）を基調に、401系はクリーム1号、421系はクリーム2号で前面窓下に逆台形の警戒色が入る国鉄交直流電車の標準色とされた。加えて周波数識別用に、401系は制御車前面窓上に細帯、421系は全車の側面裾部に401系よりやや太い帯が、それぞれ前面警戒色と同色で入れられている。
1962年（昭和37年）落成分から401系は周波数識別帯を省略、421系は帯色を前面警戒色共々クリーム4号に変更、正面まで引かれるように改定された。421系の識別帯は後に省略されたことから、その後415系500番台途中製造分までの国鉄交直流電車の標準色となった。
1985年（昭和60年）にはつくば万博開催に伴うイメージアップのため常磐線用車両は1983年（昭和58年）8月から1985年（昭和60年）3月16日にかけてクリーム10号に青20号帯という新塗装へ変更された。
九州配置車は1986年（昭和61年）3月に常磐線新塗装の415系500番台が421系初期車置換え用として南福岡区への転入後、同年夏に423系は白3号と青20号、713系はクリーム10号と青20号に比較検討の塗色変更を行い、同年10月以降は帯色を若干藍色がかった青23号とし窓上に帯が入る新塗装となった。ただし勝田区からの転入車は民営化後の1987年（昭和62年）秋頃までは常磐線塗装のままとされた。
401系は1961年（昭和36年）6月の常磐線取手 - 勝田間交流電化に、421系は山陽本線小郡（現・新山口） - 下関間直流電化および鹿児島本線門司港 - 久留米間交流電化に対応する系列で、両系列とも1960年（昭和35年）に量産先行試作車4両編成x2本ずつ製造された。
1962年（昭和37年）には鉄道友の会から第2回ローレル賞を受賞。その後は増備が続き1966年（昭和41年）までに401系4両編成x25本計100両と421系4両編成x23本計92両が製造された。各形式とも対応する交流商用周波数が60Hzである点が401系と異なる。
1964年に川崎車輛で151系電車の九州乗り入れ対応用電源車として3両が製造され、南福岡電車区に配置された。
東海道新幹線の開業に伴うダイヤ改正で、東海道本線特急として運用されていた151系電車は山陽本線を主体にした新幹線連絡特急に転用されることになり、その一部が「つばめ・はと」の愛称で新大阪 - 博多間を運転する列車として設定された。
運転区間のうち門司駅構内デッドセクションを介在し、九州島内は交流電化区間であったため直流電車であった151系電車は下関 - 門司間はEF30形、門司 - 博多間はED73形で牽引による対応とされた。しかし、サービス用電源が確保できないという問題が発生したためにサシ151形に交流区間用電源装置搭載案・電源装置搭載交直流電気機関車新造案などと比較検討されたが、当初から151系の投入が暫定的かつ短期間とされたことからモハ420形をベースに必要な機器類を搭載したサヤ420形製造案が採用された。
そのため当初から421系として製造され以下の特徴を持つ。
翌1965年10月1日に交直両用の481系に置換えられたことからサヤ420形は不要となり、1966年に小倉工場でモハ420-21 - 23へ改造。別途日立製作所で製造されたモハ421-21 - 23・クハ421-61 - 66と4両編成3本に組成された。
401系は量産先行車8両が1978年（昭和53年）11月30日に廃車。量産車の廃車は1981年（昭和56年）から開始された。分割民営化時にJR東日本へ承継された車両は以下14両のみ。
本グループは非冷房のままで、415系1500番台と置換えられていき、1991年（平成3年）までに全車廃車となった。
421系は量産先行車8両が1979年（昭和54年）に廃車。量産車の廃車は1986年（昭和61年）から開始された。分割民営化時にJR九州へ承継された車両は、以下の4両編成7本で計28両。
本グループは全車冷房化改造が施工された。811系・813系と置き換えられ、1993年（平成5年）から1996年（平成8年）にかけて全車廃車となった。
なお、クハ401形・421形ともに低運転台車はJRに承継されず、1987年（昭和62年）までにすべて廃車された。
主電動機の定格出力を、401系・421系に搭載していたMT46系の100kWから、120kWに向上させ、MT54系に変更した系列である。403系は交流50Hzに対応しており、常磐線ならびに水戸線電化準備用に勝田区へ配置された。423系は交流60Hzに対応しており、鹿児島本線の熊本駅まで電化延長にあわせて南福岡に配置された。
このため、車体および車内設備は401系・421系と同一である。MM'ユニットは403系がモハ403・402形、423系がモハ423・422形となった。制御車は上述したクハ401・421形が継続して新製された。同時に以下の設計変更が実施された。
401系・421系と同じく4両編成で組成された。403系は20編成計80両、423系は30編成計120両が1965年から1968年まで製造された。最終増備車である403系第20編成及び、423系第29・30編成では以下の改良が実施された。
事故廃車となったモハ402-1・クハ401-52・クハ421-43の3両を除いた全車両が、JR東日本と、JR九州に承継された。
403系は以下のスケジュールで廃車された。
423系は1996年（平成8年）から廃車開始され、2001年（平成13年）に全車廃車された。
1971年（昭和46年）から製造が開始された。主変圧器のTM14形は商用周波数の50Hzと60Hz両方に対応しており直流電源を合わせて三電源に対応している。401・403系が交流50Hzのみに、421・423系が交流60Hzにのみに対応していたものを統一したグループである。0・300/100・200/500・600/700/800/1500・1600・1700・1900の番台に分かれる。
車両形式は、モハ415形、モハ414形、クモハ415形、クハ411形、クハ415形、サハ411形がある。
このうち、クハ415形の800番台と、クモハ415形、モハ414形は113系からの改造竣工車。クハ415形は、JR化後に改造もしくは設計された区分。サハ411形は、常磐線の基本編成の一部を7両編成化するために製造された形式である。
またMM'ユニットが415・414形に、クハ411形が300番台に番台区分された理由は、401・403系を411系とし、421・423系を413系として、制御車は、どちらもクハ411形に統一して、クハ401形を0番台へ、クハ421形を100番台へと改番する計画が存在したため。
MM'ユニットが0番台、クハ411形がCPとトイレを装備する300番台に番台区分されるグループ。MM'ユニット19組38両とクハ411形39両の77両が製造された。勝田電車区へは4両編成10本が、南福岡電車区へは4両編成9本と、事故廃車代替用のクハ411形1両が配置された。なお本グループは以下の2形態に分類される。1975年製造の、クハ411-335は、脱線転覆事故により廃車となったクハ421-43の代替として新製された。このため、落成時には冷房装置は搭載されておらず、本系列では唯一の冷房準備車として落成した。その後1983年に、同じ編成を組むモハ423・422-2・クハ421-44とともに冷房化された。冷房準備車特有の最前部大型箱型通風器や、外キセをステンレス製としたAU75E形を搭載するなど、特徴的な外観である。2001年（平成13年）、423系全廃とともに同車も廃止され、415系で最初の廃車となった。
2000年（平成12年）には、南福岡所属F5編成がミレニアム記念として、翌2001年（平成13年）には、常磐線勝田電化40周年記念でK510編成が、それぞれ、旧塗装への復元が施工された。K510編成は後に一般塗装へ復元された。一方、F5編成は国鉄時代の旧塗装のままで運用され、2012年3月15日に運用離脱し廃車された。
勝田車両センターの一部編成および、南福岡車両区・小倉総合車両センター門司港車両派出配置車はクハ411形トイレ対向部を除きロングシート化改造が施工された。
JR東日本在籍車はE531系への置換えで全廃。また、JR九州在籍車はセミクロスシート車が大分・鹿児島などへの一時的な疎開留置が実施された。2010年にはFo2・3編成が留置先の鹿児島総合車両所から小倉工場（現・小倉総合車両センター）回送されたのを皮切に、ロングシート化改造編成も含めて順次同様の措置が採られた。2014年8月27日には、最後まで残存していたFj-7編成が小倉総合車両センターへ回送された。同年11月までに廃車が終了し、営業運転が可能な本番台区分は消滅した。ただし、Fo3編成のうち門司港側2両のクハ411-336が赤一色塗装へ、モハ414-18が青一色塗装へ変更の上で『安全技能伝車』として車籍を有しており、小倉総合車両センターで訓練等に使用される。
1978年より製造された。MM'ユニット28組56両及び、クハ411形52両・サハ411形4両で計112両のグループ。4人掛クロスシートが狭く評判も悪かったため、座席幅を930→1,040mmに、間隔を1,420→1,490mmとして、従来の急行形車両並に拡大を行った。いわゆるシートピッチ改善車である。客室扉間間隔寸法と窓配置を変更されたのがこの番台の大きな特徴。4両編成7本およびMM'ユニット2組4両とサハ411形4両が勝田電車区に、4両編成14本が南福岡電車区に、4両編成5本が大分電車区へそれぞれ新製配置された。
車体構造は同時期に製造されていた113系2000番台と基本的に同一である。制御車は奇数向きがトイレ無しで100番台。偶数向きはトイレ付きで200番台となっている。CPと、出力160kVAのMGを搭載する。車内は客室荷物棚棒と、腰掛ヶ込板がステンレス化などによる無塗装化された。車体中央部の通風器は、取付位置を冷房装置から離れた位置に変更した。床下に搭載される電磁弁等やブレーキ装置を集約ユニット化。トイレの明かり窓の形状は、特急車両と同型FRP製ユニットとした。
最終増備車は、1984年にモハ415・414-127・128とサハ411-1 - 4の8両が、日立製作所笠戸事業所で製造された。本グループは、常磐線一部編成7両化ならびに将来の15両編成化を考慮されている。当初より常磐線の新塗装で落成した。そのほか、屋上の押込式通風器と、冷房装置キセ、室内化粧板が後述する500番台と同一となっている。押込式通風器はFRP製。車内の室内色はクリーム色となっており、クロスシートの腰掛モケット色は落成当初の713系電車と同様のロームブラウンを基調としたものに変更された。
サハ411形は新規に起こされた中間付随車形式のため番台区分は1-となる。またCPと出力160KVAのMGが2と4には新製時から搭載されたが、1と3はMG搭載準備工事で落成した。翌1985年の7両編成化時に搭載された。
2018年4月1日現在、JR東日本車は、全廃。JR九州車は、4両編成x19本計76両全車が車籍を有しており、配置は大分鉄道事業部大分車両センターに集約された。なお大分所属車のうち、小倉車両センターから転入した12編成はロングシートへ改造されている。
老朽化した401系初期車取替えと、常磐線の混雑緩和を目的として1982年より製造された。4両編成x24本計96両のロングシート車グループで、全車が勝田電車区へ新製配置された。トイレはクハ411形偶数向き車に設置されている。その対向側はクロスシートが設置されたため600番台が区分がされた。
外観は運転室・窓配置・客室扉などの割付きは100番台から踏襲されたが、ロングシート化により定員は20 %増加。車体の経年劣化対策として屋根材を絶縁屋根布からポリウレタン系樹脂系塗屋根材に変更。腐食防止の観点から外板腰下部の約400 mmにステンレスを使用した。そのほか、客室扉部は連続溶接化され、屋上通風器はFRP製箱型に変更された。内装は当時増備されていた201系と同じく、化粧板がクリーム色、腰掛けモケットがロームブラウンの暖色系を基調とした。座席端部には袖仕切りを設置した。
ロングシートは座面高400 mm・奥行600 mmとされた。また当初は禁煙区間が上野 - 土浦間のみだったため、各車両の出入台戸袋窓下と妻部に灰皿が設置された。
台車は従来車と同じだが、ロングシート化による定員増により荷重が増加したため、枕バネ・軸バネの定数を変更した。
搭載される電気機器と配置は100番台を踏襲しているが、床下のブレーキユニット箱を廃止して重量軽減を図ったほか、電動車の重量バランス均等化の観点からモハ414形に搭載されていた蓄電池と付属設備をモハ415形に移設。これはモハ414形の定員乗車時車両重量が52 t（軸重13 t）を超過してしまうためであり、100番台と比べて1 tの軽量化がされた。
腐食防止の観点から車体裾部にステンレスを使用したほか、設計変更が数度実施された。
国鉄時代の1986年（昭和61年）3月に513 - 517の5編成が421系初期車置換えのため南福岡電車区へ転出した。その後はJR九州に継承されてから、2007年（平成19年）2月に、F513と517の2編成が、同年3月にF514～516の3編成が、457・475系を置換えるため鹿児島総合車両所（現・鹿児島車両センター）へ転出した。
勝田に残存するJR東日本車は、一部の編成はモハ415とクハ411-500番台の間にサハ411の0番台または700番台とモハ415・414の100番台または700番台を組み込んで7両編成化した。2007年（平成19年）に運用離脱した。しかし、そのうちの2編成8両は、1500番台1編成とともに2008年（平成20年）12月24日付で廃車後JR九州へ譲渡され、南福岡車両区へ配置された（詳細は後述）。その後、2012年（平成24年）に、0・300番台の置換えを目的に大分車両センターへ転出した。さらにその後、2016年（平成28年）3月にはFo520編成が鹿児島車両センターへ再び転出した。このため2018年4月1日現在では、鹿児島車両センターにF513 - 517・520の6編成24両が、大分車両センターにFo507の1編成4両が配置される。
1985年に開催されたつくば科学万博開催に向けた常磐線中電の輸送力増強から、他番台で組成される4両編成の一部を7両化して最大15両編成の組成ならびに老朽化した401系置換え用として、1984年から1985年にかけて日立製作所笠戸事業所・日本車輌・東急車輛で製造されたMM'ユニット23組46両と付随車16両計62両のグループで全車勝田電車区へ新製配置された。100番台最終増備車から一部設計変更がされたため新たな番台区分とされた。
塗装は新製時よりクリーム10号に青20号帯。車内は車端部分をロングシートとしたセミクロスシート車で、床面高さを1985年製の500番台と同様の1200mmとしており、天井は201系と同様の平天井に変更された。室内色は100番台最終増備車や500番台同様の白とクリームを基調としたほか、主整流器は走行風を利用した自然冷却式のRS49形に変更された。
搭載される電気機器と配置は100番台を踏襲しているが、500番台とは異なり蓄電池とその付属設備をモハ414形に搭載。サハ411形は電動発電機（MG）と電動空気圧縮機（CP）を搭載。
すべて中間車で製造されたが、サハ411形1両がクハ411形へ改造された。
2007年3月18日のダイヤ改正で定期営業運転を終了し運用離脱。2008年7月までに全車廃車。廃番台区分のほかサハ411形は廃形式となった。
1991年に七尾線が大阪・名古屋からの特急電車の直通運転によるスピードアップと普通列車の電車化・フリークエンシー向上のため電化されることになった。七尾線は地方交通路線で駅跨線橋や跨線道路橋などは車両の屋根と橋の間隔が狭い低空頭区間が多いことから工事費の削減と建築限界が小さくできる直流電化に決まった。そのため既に交流電化されていた北陸本線（現：IRいしかわ鉄道線）金沢 - 津幡間へ直通運転を行うことから普通列車用交直流電車が必要となった。
これに対しJR西日本ではコスト削減の観点から特急「北近畿」充当用福知山運転所（現：福知山電車区）配置の485系が直流区間のみの運用であったことから交流機器を抜き取って183系化する一方で、抜き取られた交流機器を車体がほぼ同一の113系に搭載して充当を計画。その結果、415系への編入改造を施工したのが本区分番台である。
福知山運転所ならびに向日町運転所（現：吹田総合車両所京都支所）に配置されていた800番台12両、網干電車区（現：網干総合車両所）ならびに日根野電車区（現・吹田総合車両所日根野支所）に配置されていた0番台21両計33両の113系に対し1990年から1991年にかけて吹田・鷹取・松任の各工場で以下の改造工事を施工した。
また長期使用に伴い以下の工事も施工された。2017年現在も引き続き金沢総合車両所配置でJR七尾線およびIR線で運用されるが、2015年にC01・C04編成が413系に置換えられる形で運用離脱。C01編成は2016年3月31日付で廃車され、C04編成は2017年3月31日付で廃車された。なお2017年4月時点でC02編成のモハ414-802は1964年製で113系・115系を含めて最も古い車両である。また一部編成には地域にちなんだラッピングが施される場合もある。国鉄分割民営化直前の1986年から製造された軽量ステンレス製車体を持つモデルチェンジ車で、以下の変更点を持つ。
このため番台区分は、ロングシート鋼製車500・600番台のモデルチェンジという観点から1500・1600番台とされ、国鉄時代には4両編成を21本計84両が製造された。
当初は全車勝田電車区に新製配置予定であったが、南福岡電車区にも4両編成x13本（F1509 - 1521編成）が配置された。
またオールロングシートでありながら、当時は喫煙車が当然で運転区間や時間帯で禁煙を設定していたことから211系などと同様にロングシート部に灰皿を設置した。
このほか、勝田電車区の編成変更に伴いサハ411-1701が製造されたため国鉄時代の総製造両数は85両となる。
分割民営化時には、鋼製車同様にJR東日本とJR九州に継承。さらにJR東日本では1991年までに4両編成x13本を増備した。
最終製造ロットは、常磐線での着席機会向上のため2階建試作車クハ415-1901を組み込んだ以下の変則8両固定編成で落成した。途中の駅で増解結できないので上野寄りに4両編成を連結して全区間12両編成で運用した。
総製造両数は、モハ415形+414形ユニット35組70両・クハ411形1500番台34両・同1600番台34両・サハ411形2両・クハ415形1両の計141両である。
なお、JR東日本所属車とJR九州所属車には以下の差異がある。以下で運用面についての解説を行う。
常磐線・水戸線で鋼製車と共通運用されていたが、2005年（平成17年）7月9日のダイヤ改正で2階建試作車のクハ415-1901が定期運用から離脱。同車は勝田車両センター内で留置後、2006年3月10日に郡山総合車両センターへ回送され、翌11日付で廃車。同年6月12日から14日にかけて解体された。
2007年3月18日ダイヤ改正で上野口中距離電車の最高速度130km/h運転へ移行ならびにグリーン車を連結したE531系に統一。このため普通鋼製車は置換え。本番台区分は常磐線での運用区間を友部 - 原ノ町間に短縮したほか、以下の車両が2009年度上半期までに余剰廃車となった。2014年12月よりE531系付属編成増備により以下の勝田車両センター配置車が廃車となった。
2016年3月26日ダイヤ改正では勝田車両センターに配置されていた11編成44両が、E531系3000番台置換えにより常磐線及び水戸線での定期運用が終了。同年6月25日の「ありがとう415系号」を最後にJR東日本での営業運転が終了した。その後以下の通り順次廃車され、2017年11月16日をもってJR東日本からは形式消滅した。
2016年3月に小倉総合車両センター門司港派出配置車両を南福岡車両区へ集約。2018年4月1日現在では同区に14編成56両が配置されている。
なおサハ411形とクハ415形は既に全車廃車されているため車籍を有する車両はすべて4両編成を組成する。
本項目では、形式ならびに車両番号の変更を伴う改造および冷房化など大規模な工事について解説を行う。
113系を種車にした415系800番台を除き以下の3両が存在する。
常磐線の基本編成組成変更により不足する先頭車を補充するため1986年11月に大宮工場（現：大宮総合車両センター）でクハ115-612へ施工した本系列化改造である。車番は当初901を付番されたが、1987年1月に101へ改番された。
同車は元々サハ115-2として製造され1984年にクハ115形1000番台とほぼ同一構造の運転台を接合する制御車化改造が施工されていたが、本系列化改造時には床下へCP搭載・主幹制御器取替・交直切替スイッチ取付が行われたが、種車が115系であることから以下の特徴がある。
しかし冷房改造が未施工だったことから、401系・403系非冷房車などとともに415系1500番台に置換えられ、改造から5年後の1991年に廃車された。
後述する1979年に発生した踏切事故でユニットの相手方を喪失したものの比較的損傷の少なかったモハ403-1が種車である。
同車はしばらくの間は保留車とされたが、1980年4月にモハ400-7とユニットを組成させることになり、主電動機の交換などを郡山工場で施工しモハ401形続番に編入。この際に403系時代から編成を組成していたクハ401-51、モハ400-7と編成を組成してたクハ401-14と新たな4両編成を組成したが、クハ401-51を除いた3両は冷房化改造も未施工のまま1987年2月5日付で廃車された。
1989年に一部の7両編成を4両編成x2本へ組成変更を実施する際に先頭車が不足することから郡山工場（現・郡山総合車両センター）でサハ411形に運転台を接合する制御車化改造である。K522編成の奇数向き（下り方）先頭車に組成されたことから、種車に搭載されていた冷房電源用MGは撤去されたが車体には冷却風取入ルーバーが残存する。2008年7月14日付で廃車。
1974年以降の新製車は、非冷房車と編成を組成するため準備工事で落成したクハ411-335を除き全車冷房装置を搭載して落成した。そのため同等のサービスレベル確保の観点から、1971年（昭和46年）製の415系1次車は1977年に、403系・421系・423系は1979年から冷房改造工事が施工された。
ただし、403系は冷房化改造が施工されないまま廃車となった車両が存在するほか、401系電動車ユニットおよび同時に製造されたクハ401形のいずれも冷房改造の対象から外れ本工事は未施工で非冷房のまま廃車された。
本項目では、会社別で解説を行う。
分割民営化直前に改造施工された423系の一部を除きAU75形集中式冷房装置を搭載し冷房化改造が施工されたが、工事内容を以下に示す。
施工内容ならびに改造時期などで以下に示す差異がある。
403系冷房化改造工事は、分割民営化も1988年までに施工された第7編成までは国鉄時代同様にAU75形集中式冷房装置搭載で施工されたが、1989年の第9編成以降は車体構造上の都合からAU75形を搭載せざるを得ないモハ402形を除き工期短縮と経費削減の観点からAU712形集約分散式冷房装置搭載に変更された。
従来の集中冷房装置での改造工事では、構体や屋根の補強が必要となり工数やコストのかかる問題点があったため国鉄末期には423系を対象に集中式搭載改造に比べ費用を2/3に節減でき工事簡易化が可能なAU1X形分散式冷房装置4基搭載へ変更したほか、分割民営化後はさらに安価で簡易な車端部座席2ボックス分のスペースにAU2X形床置式冷房装置を搭載する方式も採用された。
本工事により1987年中に421・423系とも冷房化を完了した。
国鉄時代にも別工法で前面強化工事施工車は存在したが、JR東日本では成田線大菅踏切事故後に乗務員保護の観点から前面強化工事未施工車を対象にステンレス板（一部鉄板で施工した例もあり）による前面追加工事を積極的に推進した結果、本系列でも例外なくほぼすべてに施工された。
国鉄型電車では前照灯光源として長く白熱電球を標準採用してきた。しかし、フィラメントが後方に放つ光を反射し前方への投光量を増やすための反射板が必須で、灯具が大型かつ低照度で電球交換後は焦点調整を行わねばならないという欠点があった。このため、電球自体に反射板組み込み構造で、コンパクトかつ高照度で焦点調整不用のシールドビームが普及するにつれ、既存の白熱電球の保守性や保安性が問題となった。そこで保安性および保守性の向上を目的にシールドビーム化改造が1970年代以降順次施工された。
冬季特急通過待ちの際「寒い」と意見が出たため中央の1ヵ所のみ開閉できるようにした。後年、冬季や猛暑の夏季に長時間停車する駅や始発駅で使用されるようになった。
JR九州が長期使用を前提にした更新では以下の工事を施工した。
ただし3両以下への短縮やワンマン運転に対応した改造は未施工である。
このほか更新工事の有無に関係なく、車内スピーカーの更新・増設改造を行った編成も存在する。
老朽化・余剰による廃車を除いた本系列の事故廃車は以下の3両が該当する。
2007年3月18日ダイヤ改正で常磐線上野口中距離電車のE531系置換えにより、大量の余剰車が発生したJR東日本からJR九州へ500・600番台2編成8両、1500番台1編成4両の計12両が以下に示すスケジュールで譲渡された。
3編成とも車籍復活後は南福岡車両区に配置され同月中に営業運転を開始したが、1500番台のF1501編成は帯色を青24号に変更したものの連結部外幌部分のみ青20号のままである。
2012年には3編成とも南福岡から転出ならびに編成番号を変更した。
なおFo520編成は2016年3月には鹿児島車両センターへ、Fj1501編成は門司港車両派出の交番検査機能廃止により同年3月26日付で南福岡車両区へ、それぞれ再転出した。
2018年（平成30年）現在で車籍を有する車両は415系のみで、以下の形態で運用される。
国鉄時代から引き続き勝田電車区（現・勝田車両センター）に集中配置され、常磐線相馬以南ならびに水戸線で運用されていた。
車両面では415系1500番台で401系初期車を、E501系・E531系により403系を代替するなどしていたが、2007年3月17日ダイヤ改正で上野口中距離電車運用をE531系電車へ完全置換えを実施。常磐線友部 - 原ノ町間・水戸線に運用区間を短縮し、普通鋼製車は余剰となり定期運用を終了。同年3月24日には水戸 - いわき間で普通鋼製車さよなら運転を実施。2009年までに1500番台の一部を含めて全車廃車となった。残存した1500番台も2016年（平成28年）3月26日ダイヤ改正でE531系へ置換えられ運用終了し、2017年11月16日までに全車廃車となった。
同社唯一の交直両用近郊形電車であり、関門トンネルを通過し、直流電化されている山陽本線へ直通する運用のほか、九州島内では鹿児島本線・日豊本線（小倉 - 佐伯・都城 - 鹿児島中央）・佐世保線・長崎本線の列車に充当される。
2009年にはJR東日本から運用短縮で余剰廃車となった4両編成x3本計12両が譲渡されたが、2012年の817系3000番台運用開始に伴い南福岡配置車を中心に普通鋼製車から順次置換えが開始された。
2018年（平成30年）4月1日現在、南福岡車両区に1500番台14編成56両、大分車両センターに100・200番台19編成76両/500・600番台1編成4両計80両、鹿児島車両センターに500・600番台6編成24両を配置する。
金沢総合車両所所属の800番台が引き続き七尾線・IRいしかわ鉄道線 金沢 - 津幡 - 七尾間で運用される。
2015年（平成27年）に一部を413系へ置換え、2018年現在では2編成が廃車になっているが、本格的な置換えは全く計画されていない。
国鉄時代を中心として運用の都合から以下の急行列車（いわゆる遜色急行）へ投入された。
側面行先表示器はJR東日本発足後に製造された1500番台の一部とクハ415-1901を除き準備工事で落成したが、JR東日本所属車は1991年までに、JR九州所属車は2000年までに当時在籍していた全車に搭載された。
一方前面行先表示器はJR東日本所属車では常磐線独自の理由で白幕とされたが、JR西日本・JR九州所属車では行先表示を実施する。