国鉄103系電車
国鉄103系電車（こくてつ103けいでんしゃ）は、日本国有鉄道（国鉄）が設計・製造した直流通勤形電車。
国鉄通勤形電車として、当時の国鉄の財政・設備・保守などの各事情を考慮の上で経済性を最重視して設計され、1963年（昭和38年）3月から1984年（昭和59年）1月までの21年間に3,447両が製造された。
また、本項ではインドネシアの鉄道会社 (PT. Kereta Api) に譲渡された車両についても記述する。
基本的な構成は、国鉄初の新性能通勤電車で前作に当たる101系を概ね踏襲している。切妻形車体・3枚窓による運転台のシンプルなデザイン・1300mmの両開き4扉・扉間7人掛け車端部3人掛けのロングシート・コイルばね台車はウイングばね軸箱支持・直巻整流子電動機を用いた抵抗制御・MM'ユニット方式である。
国鉄の汎用的通勤形電車として設計されたため、比較的駅間が短く速度の低い線区を主に使用することを前提として設計されたが、週末などの臨時電車運転を考慮して主電動機の界磁を35%まで弱めて高速特性を近郊形電車の111系並に設定している。設計当時多くの路線で最高速度が95km/hであったこともあり、よほど特殊な線区以外では高速運転をする機会はなかったが、大量に製造されるうちに、駅間距離が長い路線やブレーキ初速度の高い路線などに投入された結果、高速性能を求められるケースも増え、加速性能では分流抵抗による弱め界磁率の誤差などを修正する小改造を、高速域からの電気ブレーキ性能では過電圧対策などを施した車両も存在した。なお、最初の投入先が山手線であったことから駅間距離が短い山手線専用形式と言われたこともあったが、当時の関係者によって完全に否定されている。最高速度は100km/hとなっているが、MT比1:1では90km/hを超えると加速余力は少なく95km/h程度である。
本系列の設計は帝都高速度交通営団（現在の東京地下鉄）東西線乗入用のアルミ製車両である301系の基本となったほか、地方私鉄買収電化路線用の105系にも応用された。
新造車3,447両のほか、20両が72系から、36両が101系から編入され、総数は3,503両であるが、全車が同時に存在した時期はない。
JRグループ発足時に、事故廃車2両と105系改造車65両を除いた3,436両が、北海道旅客鉄道（JR北海道）と四国旅客鉄道（JR四国）を除く各旅客鉄道会社に引き継がれた。その後老朽化による新型車両への置き換えによって廃車が進行し、東海旅客鉄道（JR東海）が所有していた該当車両は2001年（平成13年）、東日本旅客鉄道（JR東日本）が所有していた該当車両は2009年（平成21年）に形式消滅となっており、2018年4月1日現在残存するのは西日本旅客鉄道（JR西日本）が関西圏で運用する99両と九州旅客鉄道（JR九州）が筑肥線で運用する18両の計117両である。
1957年（昭和32年）に国鉄初の新性能電車として登場したモハ90形（後の101系通勤形電車）は当時の民鉄の高性能車に匹敵する加速度・減速度などを備え、国鉄の通勤輸送力の要として期待された。しかし、試運転を重ねるうちに所定の加速度設定では電流が、き電設備に負荷をかけることがわかり、営業運転開始時から101系は本来の性能を出せず、オール電動車編成を持て余すことになる。初めての新性能電車の運転に対して、国鉄工作局も電気局も変電所容量や架線設備が適合するかのチェックを見落としていた。既に昭和32年度にモハ90形が150両計上されており1958年（昭和33年）春から夏にかけて落成されたが、量産車も本来の性能で運転できなかったことから全電動車編成のあり方に疑問がなげかけられる。モーター数を減らした編成で運転した方が車両新製費用が安いことから、昭和33年度の新製車からは、10両編成中2両をモーターなしの車両にした8M2T編成で増備されることとなった。
1959年（昭和34年）に入っても中央本線に101系が増備されていたが、基本8両編成を6M2T、付属2両編成を2Mという編成を組み、日中は基本編成の8両編成で運転されていた。1950年代後半の首都圏の通勤輸送の伸び率は年6%以上であり、車両を投入して増発や増結をしても輸送量の伸びに追従できない状態にあり、少数の高性能な車両よりも多数の車両が必要となってきた。限られた予算内で多くの車両を作るには、製造単価の高いモーター車の比率を下げる必要があるため、中央線の101系の使用方法にも、付属編成はそのままで基本編成を4M4Tにした6M4T編成が可能かどうか、また他線区の編成両数から4両を1単位とした編成が組める方が都合が良いことから、MT比1:1による運転が可能かどうかの検討が始められる。
これらの観点から、1959年（昭和34年）11月に中央線営業列車にて主電動機温度測定試験が行われた。基本4M4T+付属2Mという編成を用いたが、付属編成を分離した後の4M4T編成は日中の乗車率が少ない時でもモーター内の温度が上昇しており、101系ではモーター車とモーターなし車を半々で編成を組んだ、いわゆるMT比1:1の編成は、主電動機の熱容量不足のため不可能という結果が出された。同時に、編成はモーター車2両に対してモーターなし車1両 (2M1T) を基本に、場合によっては4M3T・6M4Tまでの編成に制約するという判断がなされた。また、この現車試験だけでなく、主電動機の熱容量を計算によって求めるRMS電流値による運転評価が1959年（昭和34年）秋頃から実用化され、MT比1:1編成のみならず、山手線のように駅間距離が短く発車してすぐに停車するような路線は、モーターを冷やす時間が少ないことから、101系は不利になった。
101系が設備面と主電動機の容量不足で今後の通勤線区に対して効果的な増備が行えないことから、国鉄本社運転局では「通勤電車の問題点」を1960年（昭和35年）2月にまとめ、次期通勤電車に対する要望として経済的で大量生産できる車両を挙げた。方向性としては、オール電動車形式による高性能車と回生ブレーキをセットに考える方法と、電動機の出力をアップしてMT比を1:1にして運転する方法が検討されている。回生ブレーキは勾配用として国鉄でも採用実績はあったが停止用回生ブレーキは民鉄を含めても一般的ではなく、京阪電鉄が1959年（昭和34年）2月以降1650形の一部において搭載し、営業運転をしながら試験を続けており、その試験結果によって同年9月より回生ブレーキ付き2000形の営業運転を開始した。また、小田急では主電動機の出力を高めMT比を1:1とした2400形がデビューし、これまでのオール電動車による高性能車から、MT比1:1による高性能車へと変革をとげつつあった。構想にあたって回生ブレーキは京阪の研究結果を待つことにしたが、国鉄でも試作車を1959年（昭和34年）度中に落成している。
中央線の新性能化に大きく貢献してきた101系だが、1960年（昭和35年）には別の問題が発生した。旧形国電に比べてパンタグラフ当たりの集電電流が大きくなったことによる架線への影響である。中央線の101系化率は同年4月には84%に達し、101系の通過両数が増えたことから中央線の架線温度を上昇させ、架線の摩耗が激しいだけでなく、夏場などには架線溶断の危険性も浮上した。この問題は、架線を平行に並べるツインシンプルカテナリー方式を用いることで改善できることもあり、中央線と中央緩行線の工事を行った。
101系の問題点を克服し、標準形通勤電車を設計するための基礎資料として、1960年（昭和35年）3月末に回生ブレーキを搭載した101系910番台を試作し、同年6月から回生試験を開始した。試験の結果、初期費用が高いこともあり、回生による消費電力量の削減などを照らし合わせて考えても、大量生産しなければならない通勤形電車に搭載することは不適切との結果となった。また、小田急2400形が採用しているのと同じ120kWのMB3039A形電動機を101系2両に搭載し、1961年（昭和36年）1月に中央線や山手線で試験を行った。結果として、回生ブレーキを採用できない状態で主電動機のみをパワーアップすることはできないため、国鉄の1961年度技術課題では回生ブレーキ試作車を大阪環状線に転じて、編成単位での長期試験を行うことも検討された。
1960年（昭和35年）初頭から選考に入った101系に代わる次期通勤電車は、101系の失敗を繰り返さないためにも、様々な試験を重ねたうえで電気局など多数の関係者も含めて慎重に仕様を決める必要があり、それまでの通勤輸送改善のための車両増備は101系に頼らざるを得ない状況にあった。国鉄の整備計画である第一次5ヵ年計画での車両増備が、予定の390億円に対して321億円と予算不足にあったことから、101系を10両中モーター車8両という構成から10両中モーター車6両にして、製造費の高いモーター車を減らすことで少ない予算で多くの車両を通勤輸送に投入した。これを実現させるには編成を基本8両編成から7両編成に減車しなければならないため、東京鉄道管理局の日中輸送力の検討結果を待って決定された。その結果、昭和35年度本予算では101系のモーターなし車のみ88両が製造され、101系の編成替えを実施し各線の輸送力増強に充てられた他、中央線では11月21日のダイヤ改正にてオール101系化がなされた。
一方、首都圏の通勤事情は悪化し、1961年（昭和36年）1月には中央線朝ラッシュ時に56分30秒という過去最高の遅延を記録するなど、「交通地獄」の様相を呈してくる。この状態を緩和するため、同年秋から山手線に101系を4M3Tで投入を開始した。101系の性能上、山手線などで使用する場合はモーターに電流をあまり流すことが出来ないため、電気ブレーキをカットすると共に、力行時の限流値も低く抑える必要があり、旧形国電よりも運転速度は遅くなったが、101系は両開きドアであることからラッシュ緩和に効果があること、山手線から捻出される旧形国電を他の路線の増結用に回すことができること等の利点を買われたものである。このように103系の設計がまとまるまでの間、中央線用に設計された101系を性能的に適さない山手線や総武線などに増備されたのはラッシュ輸送改善のためであり、101系を入れても新性能電車投入のスピードアップなどの効果が薄いため、これらの通勤路線に適合した仕様でMT比1:1を実現し低費用で大量量産する新形通勤電車が必要となった（詳細は国鉄101系電車#計画の頓挫参照）。
101系では当初全M車編成で3.2km/h/sという加速度が目標とされたが、6M4T化により2.0km/h/sの加速度と3.0km/h/sの減速度になった。新形通勤電車の投入候補線区のうち、次期車両の投入予定4線区（右表○印）に関して検討した結果、高加速度のメリットが大きくないことが明らかになってきた。輸送力向上のための運転時隔短縮が本来の目的であり、高加速度は駅間での運転速度を高めて閉塞区間を速く通過することで次の列車を早く通すという考え方に基づく要求だが、これを達成するためには実際には高減速度の方が重要ということが判明したため、2.0km/h/sの加速度に留め、3.5km/h/sという減速度を目指すことになった。
国鉄では列車同士の追突を防止するために列車の進路を閉塞という区画で区切り信号機により追突を防止する信号保安というシステムを用いた。列車と列車の運転時隔を縮めるためには前を走る列車が駅に停車中に、後続の列車が進行信号で走行する必要があるが、ラッシュ時は客扱いに30秒以上停車する駅もあり、運転時隔を2分以下とするには駅から先行列車が迅速に発車し、後続列車が進行信号で駅に進入するシステムが必要となる。京浜東北線と山手線が同一線上を走っていた1952年10月よりラッシュ時に各々3分40秒間隔、双方合わせると1分50秒間隔運転を開始した際には、後続列車に進行信号を現示し停車時間を確保するために一部の駅のホーム中間に信号機を増設した。モハ90形通勤電車においては、高加速度にて駅から早く発車し運転時隔を縮めようとしたが、電力設備が追いつかず、旧形国電とさほど変わらぬ加速度に落ち着いたが、運転時分を短縮するにはホーム中間に信号機を設ける方法は効果的なことから、京浜東北線と山手線が分離運転を始めた1956年11月19日以降も大部分の駅にホーム中間信号機を設置したが、それ以外にも信号機をこれまでの赤・黄・緑の3灯現示以外に25km/h以下での進行を指示する警戒信号（黄+黄）や65km/h以下で進む減速信号（黄+緑）などの多灯信号機を導入し駅手前に短い閉塞区間を設けるなどの措置を講じた。
ホーム中間信号機が設置してある線区での運転時隔は、列車最後部がホーム中間の信号機を通過するまでの走行時間が重要となり、その場合は4.0km/h/sの高加速度でも2.0km/h/sの加速度でも運転時隔に差がないことが判明した。ホーム中間に信号機がある場合、後続列車への影響は駅を出た列車の最後尾がホームを出た先にある出発信号機を通過する時間ではなく、ホーム中間の信号機を通過するまでの時間が重要となり、ホーム中間の信号機は列車停止位置の最後尾から100m以下であるため、列車の起動加速度を究極まで高めても効果が低いためだ。運転時分の算定にはブレーキ初速度やホーム中間の信号機の位置、列車の長さなど、いくつかのパラメータを与えれば求まる計算式があり、それらを様々な条件を当てはめてシミュレートした結果、起動加速度2.0km/h/s・減速度2.5km/h/s程度、ブレーキ初速度60km/h程度、ホーム中間の信号機を設けていることが適していることがわかった。これらのことから、新形通勤電車の設計にあたっては、起動時の電流量が多くなり電力設備に負荷をかける加速度を高めるのではなく、加速度は低く2.0km/h/s程度に抑え、ブレーキ減速度を3.5km/h/sと高めにとることにした。
なお、場内信号機の建植位置は、運転保安設備基準規程により駅の列車停止位置より150m以上外方と決められているが、表の路線は特例としてホーム中央などに場内信号機を設置した。1961年（昭和36年）当時の山手線品川 - 新宿 - 田端間でホーム中間に信号機が設置されていたのは一部の駅だけであったが、1974年までに全駅でホーム中間に信号機の整備が完了している。
車体は101系をベースにしているが変更点がある。床材は、101系のリノールを塗り固めた構造が修繕作業に手間がかかることから、103系では床鋼板の上に床仕上げ材を貼った簡単なものとなった。モーター付き車両の側面には主電動機などの回転機の冷却風の取込用として風取り入れ口を設けた。
101系が中央線など駅間距離が長い路線でないと使えない電車になってしまったのは、オール電動車で設計されていたものをモーターの付いていない車両を編成中に増やしたことによるモーターの過負荷が原因である。特に通勤線区は駅間距離が短い路線が多いため、101系電車で運転しようとすると、モーター車の比率を高めるか限流値を下げて運転速度を落とすしかなかった。これは、101系に用いられているMT46Aという主電動機の熱容量が小さかったからである。熱容量にはモーターの絶縁材が大きく関わっており、MT46Aの温度上昇限度は電機子が特別B種の120度まで、界磁がH種で150度までの制約があり、電流を流した時に発生する熱は電流の二乗に比例するため、大きな電流を流して加速度を高めると電動機の大きな過熱を招いて絶縁材の寿命が短くなる。温度が8度上がるだけで絶縁材の寿命が半減するという「8度半減則」という法則もあり、許容温度以上の負荷使用は、特別な場合を除き避けなければならなかった。
RMS電流は求める線区の運転曲線から列車の電流量を計算により求める手法である。その列車が実際に運転を行った後は、主電動機の温度が上昇するが、これを最初から一定の電流を流して同様な温度上昇になる数値を計算により求めることともいえる。よって、その列車が運転曲線通りに運転できるかどうかは、RMS電流を計算して主電動機の連続定格電流以下か、一時間定格電流の80 %以下の電流値であることが求められる。ちなみに、基準運転時分作成のための速度定数業務では速度定数査定基準規程（昭和39年12月10日）によって様々な条件が課せられるが、主電動機の温度制限に関する第33条の内容は下記の通り。限流値を一時間定格電流以下に設定して運転する旧形国電と違い、MT46以降の電車用主電動機は電流の過負荷に対する耐性が一時間定格電流の160 %までで設計されており、起動電流を大きく取って加速度を高めると、モーターが過負荷運転になる場合もあった。そこで1959年（昭和34年）の秋頃から、主電動機の温度上昇限度をオーバーせずに運転線図を作成し運転計画を立てることが当然となり、RMS電流計算により推定することが基本となった。
前述のように、101系をモデルチェンジした新型車両では回生ブレーキの採用や出力の増強が見送られ、運転時隔や架線への影響、消費電力量などの経済性なども含めて通勤用途に適した主電動機を新たに設計することになった。消費電力量や起動電流の面からは定格速度を低く取る方が良いが、低く取りすぎると力行率が増して回復運転余力がなくなるほか、高速運転のために極端に界磁を弱める必要が出たり、電気ブレーキ使用時に過電圧になる問題があった。これらを勘案し、標準形通勤電車用としてMT55形主電動機を開発した。回生ブレーキの採用は定期的に発生する維持費用の低減をはるかに上回る試算になったため見送られた。
103系通勤電車用として、端子電圧375 VのMT55が設計されたが、想定される速度域や消費電力量などを考慮し、全界磁定格回転数は1,250 rpmで103系に搭載した場合の定格速度は33.5 km/hという中速形の電動機となった。高速域での使用も考慮したが、保守との兼ね合いから補償巻線を設けない範囲で最大限弱めることとし、弱め界磁率を35 %と高くとって高速性能をカバーした。正規運転時におけるRMS電流を1時間定格の80 %、回復余力を10 %と見込み、電気ブレーキの有効範囲なども比較検討した結果、主電動機出力は110 kWとした。定格速度は36.5 km/hとなり、定格回転数は1,350 rpmとなった。これは定格速度が低く、実際では弱め界磁運転が多くなるため、定格を85 %界磁上においてバランスをとっている。また最大許容端子電圧をMT54などの750 Vではなく900 Vまでにしたことで、電気ブレーキの有効範囲も広く取ることが可能となった。
8両編成でMT比1:1とすることを前提として計画されたが、1968年（昭和43年）10月の山手線10両編成化の際には6M4Tとなるため、MT比が3:2となった。単純に編成出力だけを見れば101系の2,400 kWに対し本系列は2,640 kWと大きく、「10両ならば103系は不要で101系でいい」という意見も存在した。
実際の変電所負担に関わる電力消費に関しては、定格引張力が小さい101系は本系列の加速度に合わせるためには起動時の限流値を高めなければならなかった。
同様な駅間距離を持つ総武・中央緩行線の101系と本系列6M4T同士の試算では、以下のようになる。
101系のみならずMT46系主電動機を採用した形式は、主電動機の絶縁種別が低いこともあって熱容量（電動機の通電による熱に対しての耐性）が不足しており、山手線のような加速・減速を繰り返すような線区ではオール電動車にしても熱容量が足りないとの試算がすでに1960年代初頭に出ており、101系は全電動車でも問題点があるとされていた。
さらに101系は熱容量不足から応荷重装置が使えず、乗車効率が300 %にもなるラッシュ時には乗客の数に応じて運転時分が変わる。一方で、応荷重装置を使える本系列は乗客の数に関わらず起動加速度は一定に保つことができる。
そもそもMT比1:1設計をMT比3:2とすれば運転性能は上がり、1965年の京浜東北線10両編成投入の際に、長短所については検討しているが、省電力などのメリットはMT比3:2でも引き続き得られることを確認している。したがって、同じMT比3:2の6M4Tでも101系より本系列の方が加速度の高いことがわかる。
主電動機の能力を示す指針としては出力よりもSRPを用い、電動機進歩の比較としてSSRPを用いるケースが多いが、専門的な分野であるため一般的ではない。その結果、本来SRPやSSRPで比較すれば低い定格回転数で高い許容回転数を出す103系のMT55電動機は優秀な電動機であるのだが、103系の高速運転時のモーターがブンブンと回るだけと、高回転では103系のモーターが能力外であると勘違いさせるような記述も見受けられる。ただしMT55を定格速度が低い103系のセッティングで使う場合、定出力領域は64 km/hで終わり、それ以上高速になると出力が落ちる。これは113系や115系の84 km/hに比べて低いばかりか、定格出力の小さい101系の67 km/hよりも低い数値であり高速域では持てる出力を出し切れていない。なお、下記に国鉄の主な主電動機のSSRPとSRPを示す。SRPとは許容回転数÷定格回転数×電動機容量（馬力HP）で、SSRPはSRPを主電動機重量で除したものである。
新型通勤電車の概要がまとまると、どの線区に投入するかが焦点となった。1962年（昭和37年）6月頃には本系列を山手線に投入するのか、捻出される101系の転用先をどうするのか早急に決めるべきだという議論がなされた。
1962年秋の山手線8両化のための変電所増強では、101系6M2Tの限流値300Aでの運転を想定しており、限流値を350A→480Aにするための変電所増強計画が提案・検討された。変電所増強時点で、本系列4M4Tで限流値415Aの場合、101系6M2Tの限流値480Aでの運転とほぼ同等の所要時間で運転を行うことが可能と判断されたため、本系列の山手線投入を早急に決定しなければ、不要な変電所増強を行うことになる。このため1962年10月には国鉄本社運転局・営業局・電気局・工作局などにより「新型通勤電車の投入線区について」がまとめられ、103系の投入線区を山手線・京浜東北線・総武緩行線に絞り込んで議論が続けられた。その結果を踏まえ、同年11月5日の常務会にて本系列は山手線に投入し、101系を総武緩行線に転用することが決定された。
1962年11月15日に渋谷・東京などの変電所増強が完成し、11月19日のダイヤ改正から山手線の一部8両編成化が行われた。電動車比率が上がったことから限流値は300Aのままとされ、山手線一周の運転時分は5M3Tの旧性能車よりも20秒短縮できたが、変電所増強が完了するまで、新性能化がされながらも旧性能車並に制約を受けざるを得なかったのが、当時の首都圏電力事情である。
1963年（昭和38年）3月25日先行試作車1編成が落成し、9か月に渡る試運転を繰り返した後、12月28日より営業運転に入った。試運転では問題が発生していたものの、早急な新車投入が求められていたことから、最低限の手直しで量産車を発注している。
1964年（昭和39年）以降の国鉄における通勤用の標準車両として大量に製造され、直流通勤形電車はもとより日本の鉄道車両としても最大の車両数を誇り、1970 - 1980年代（昭和40 - 50年代）の首都圏や近畿圏など日本の都市圏通勤輸送を支えた。
1964年（昭和39年）5月より量産車（ウグイス色）が山手線に配置され、1964年度で202両が製造された。捻出された101系（カナリア色）は総武緩行線に転出し、別途新製された先頭車2両を組み込み10両編成で運用された。
増備が進むと次第に本来の投入予定線区とは性格を異にする路線にも投入された。1962年の新形通勤電車の投入候補線区には比較的駅間の長い常磐線（平均速度52.8km/h）と京阪神緩行線（同56.7km/h）も含まれていたが、本系列の仕様決定は、これらの路線を除いた対象4線区での平均駅間距離 (1.34km) や平均速度が参考にされた。比較的駅間距離が長い路線向けにはMT46A形主電動機の界磁を40%からさらに弱めた35%にするなどの措置が必要であり、MT55形が35%まで界磁を弱めているのはこれに対応するためでもある。
当時の多くの路線の最高速度は95km/hであり、80km/hを超える高速域では101系より加速力が高いため大きな問題にはなっていない。しかし、快速列車から逃げ切るために高加速高速の通勤電車を求めていた大阪鉄道管理局には1964年（昭和39年）に京阪神緩行線を新性能化する際に、新形式を必要とするのか検討させている。大阪鉄道管理局では当時の線路使用方法（快速と緩行の内側線のみの集中）が改善されるなら、新形式ではなく既存形式（101系や本系列）でも使えるとの認識を示した（詳細は京阪神緩行線#新形通勤電車構想を参照）。
35%まで界磁を弱めて高速特性を高めたが、定格速度は30km/h台であることから、平均駅間距離が2km台の京浜東北線に1965年（昭和40年）に投入する際には、以下の案も検討された。
しかし、いずれも本系列に比べて電力消費量が増加することのデメリットが大きく、高速運転区間も経済性が高く、高速タイプにする必要はないとの結論を得た。これらの調査結果を受け、1967年（昭和42年）末から常磐線に本系列が投入される際には、ブレーキ初速と使用頻度が高くなることもあり、新規開発されたメンテナンスフリーのディスクブレーキ付きTR212形付随台車を採用した。
1968年10月1日のダイヤ改正には、山手線に103系10両貫通編成が登場した。山手線ではラッシュ緩和を目的として編成を8両から10両に増強する工事を進めていたが、当時の山手線の電車区の状況は品川電車区が手狭なこともあり、夜間は山手線の車両を京浜東北線の蒲田電車区や下十条電車区に収容する必要があり、山手線で使用する56編成のうち34編成を電車区に夜間疎開した。京浜東北線の車庫を間借りしながら10両編成化を進めるには無理があるので、山手線内に新しい電車区を新設することになり、大井工場の敷地内に新たに収容能力490両の2階建て電車区を建設して、品川電車区を移転する工事を1965年（昭和40年）3月に開始すると共に山手線のホーム延伸工事も進めた。1967年4月3日に新品川電車区の留置線のみ一部供用を開始し、京浜東北線の夜間疎開を24編成に減らした。同年10月、検修設備など電車区としての設備も含めた一期工事が完成し、京浜東北線の夜間疎開は18編成に減り、翌年の10両編成化への準備を着々と進めていった。当初、1968年12月に新品川電車区は完成する予定だったが、同年10月1日に予定されている全国ダイヤ大改正に合わせて準備を進め、山手線を10両編成運転にするための車両の増備も昭和42年度第3次予算で中間車2両を20編成分、合計40両発注した。
9月から増結用の新製車が山手線に配属されて、10月1日から8両編成の中間に増結し10両運転を開始した。このことにより山手線の10両編成は運転台が編成の前後のみの貫通編成となったが、これは通勤形電車では初めての事であり、運転中に余分な運転台がない分だけ定員が増え、ラッシュ輸送に適した編成となった。増結用の車両は10月中に出そろい、10月24日までに8両編成18編成が10両編成に生まれ変わり、ラッシュ時は内回り12編成、外回り6編成が10両編成化され、池袋駅では内回り7時50分から8時17分まで連続して10両編成が来るダイヤとなり、混雑が緩和された。ラッシュ緩和に効果のある貫通編成だが、車庫の検修庫の設備が貫通編成の長さだけ必要な関係で、10両運転をしている他の線区では設備の都合で3両+7両編成などの分割編成にしなければならないケースもあったが、常磐線・京浜東北線など設備の整っている電車区の編成は一部が1970年から10両貫通編成にて運転された。
阪和線の天王寺 - 鳳間は1965年（昭和40年）6月から6両運転を開始したが、鳳以南から天王寺に運転されている快速列車の朝ラッシュ時の混雑が1965年（昭和40年）11月現在で319%となっていた。さらに鳳以南では1968年度までに26,000戸の住宅開発が予定されており快速列車の6両運転を計画していたが、1968年10月改正に合わせて設備が完成することから6両編成の103系を快速列車用として投入した。103系投入により快速のスピードアップが図られ東和歌山（現在の和歌山）- 天王寺間で通勤時間帯9分、日中7分の時間短縮が行われた。103系は山手線や京浜東北線という緩行線用に使用しており、快速用として使用するのはこのときが初めてである。
京阪神緩行線への投入から3年後の1972年（昭和47年）3月15日のダイヤ改正後のスピードアップでは、ブレーキ初速が90km/h台になると電気ブレーキを使用した際に主電動機に過電圧がかかることから、保護回路が頻繁に作動し、電気ブレーキが作動せずに故障と紛らわしいと苦情が多発。保護回路が作動する際に衝動が大きく、乗り心地にも影響を与えることなどが判明した。設計上95km/h程度までは過電圧が発生しないため、101系に取り付けられていた減圧継電器を省略していたことも原因の1つではあるが、本来の性能に近づけるため一部の回路を改良し、1972年度中に過電圧を防止する対策が施工された。
阪和線の支線である鳳 - 東羽衣間は3両編成の旧形国電により運転されていたが1977年春に阪和線用を含め33両が増備車され同区間用には103系を3両編成に組成して投入した。この投入により、同年4月14日改正にて阪和線新性能化が完了した。3両編成を組むため編成はクモハ103-モハ102-クハ103となったが、103系の3両編成による運転はこの阪和線が最初のケースとなった。
昭和40年代前半になると家庭でもクーラーが普及し始め、通勤型電車でもクーラーの要求が増していく。そこで国鉄では103系と113系にて冷房装置の試作を昭和45年に行い、昭和48年度より103系は冷房車製造を行っていく。冷房装置付きの103系が増備されることで各線区の冷房化率が上がった。
国鉄広報部が毎年1回出している「数字でみた国鉄」では昭和49年版から通勤用車両の冷房化率が掲載されている。201系の量産が始まる昭和57年版までの冷房化率の推移を示す。一部は101系冷房改造車によるものも含まれるが、103系が昭和50年代に大量に増備された結果、通勤輸送における冷房化率が向上した。
3500両近い103系がJRに承継されて使用されたが、運用線区の変更や置き換えなどが行われた。
常磐線は上野 - 取手間の通勤形電車を用いた運転と、取手以北の近郊形電車を用いた運転とに分けられ、ラッシュ時の混雑が増大してきた1985年3月改正において近郊形電車は15両に編成を増強したが、取手以南の通勤形電車は10両のままであり、JR化後ラッシュ1時間の混雑率252%と首都圏で最も混雑する路線となった。そこで、通勤形電車の編成増強のため、1988年3月改正をめどに設備工事を行ってきたが、昭和62年11月にほぼ完成することから、昭和62年12月1日から一部の通勤形電車の15両運転を開始した。通勤形電車における15両編成化はこの時の103系によるものが全国で初めてである。
1991年度からJR東西線の開業を見越し同線に乗り入れる予定であった片町線では、103系から地下乗り入れ対応の207系に置き換えを始めた。同線から捻出された103系は100両を超えそのほとんどが冷房車であったことから、関西本線・阪和線の非冷房車置き換えに転用されたが、一部は山陽本線下関運転所に冷房化率改善のため転出した。103系は過去にも通勤区間で駅間の長い路線に投入されたことはあったものの、近郊形電車の運用区間に直接転用されたことはなかったゆえに、趣味誌では、その使用方法について疑問が投げかけられた。特に下関所の105系で山陽本線岩国以西についてはトイレなし編成での運用の実績はあったものの、103系の投入により約半年で広島運転所に転配され、広島付近の運用に改められている。
JR西日本阪和線鳳 - 東羽衣間で3両編成で運転されたが、日中は1両編成でも足りることから1987年（昭和62年）6月1日よりクモハ123+クモハ123+クハ103という編成で、始発から朝ラッシュ時は3両編成、日中は1両編成、夕ラッシュ以後は2両編成と柔軟な運用に改められた。その後1989年10月20日から車内での運賃収受のないワンマン運転を103系で開始した。同様なワンマン運転はJR九州の筑肥線でも行われている他、車内に運賃箱を設置した車内収受タイプのワンマン運転はJR西日本の播但線や加古川線でも行われている。
103系は長期間にわたり使用されているため、国鉄時代から様々な改造工事が行われている。工事内容などの詳細は後述する。
車両自体の用途を変更するための改造工事で、他系列から103系化されたもの、103系から他系列に改造したもの、中間車の先頭車改造、中間車の電装解除などが行われている。車両の寿命は各社の規程などにより決められているが、置き換え時期を延命工事により伸ばし、その間の車両投資を抑制することで調達・製造～使用～廃棄の段階で必要となる費用を低減する効果や、陳腐化したアコモデーションの改善効果がある。1981年（昭和56年）度に国鉄小倉工場が423系に対して施行したのが最初であるが、103系は翌1982年（昭和57年）度から延命工事が行なわれるようになった。103系は様々な線区に使用されたこともあり、線区固有の設備を車両に追加設置する工事などもあった。また、機能的な面や腐食対策などでも改善が加えられるケースも含めて、下記のような項目にて改造された。103系は大量に製造されたために、JR化後30年経過した2018年4月時点でも100両近い車両が在籍している。廃車のほとんどは老朽廃車であるが、一部事故廃車が存在する。
1970年5月20日、根岸線新杉田 - 洋光台間で下り電車が土砂崩壊に乗り上げ、前位側2両にあたるクハ103-548とモハ102-169が大破した。その結果この2両は1971年3月27日付けで廃車となっている。モハ102-169とペアを組むモハ103-105は整備の上、新たに製造されたモハ102-445とペアを組んで復帰している（窓枠の異なる車両同士でのユニット）。
1988年12月5日、中央緩行線東中野駅構内に停車中の103系10両編成に、後続の201系10両編成が追突。103系の後位側9両（クハ103-277・モハ103-334・モハ102-490・サハ103-326・モハ103-21・モハ102-21・サハ103-327・モハ103-336・モハ102-492）のうち中間車8両が回復不能として1989年3月23日付けで、先頭車のクハ103-277が1989年7月25日付けで廃車となっている。
1994年8月3日、福知山線三田 - 新三田間で上り電車がトラックと衝突、前位側先頭車であるクハ103-839が大破した。その結果同車は1994年8月10日付けで廃車となっている。
本形式は、製造期間が20年以上に及んだため、その間の技術向上などを反映しにくく、製造後30年近く経っても大量に残っていたこともあり、陳腐化していた。オイルショック以後の省エネという観点において回生ブレーキを装備していなかったことの指摘もある上、JR東日本が製造した209系通勤形電車の車内に103系電車との消費電力量比較が掲示されたことと相まって、浪エネと表現した記事も見られるようになる。鋼製車体で回生ブレーキを装備しない本形式が過去にどのような比較等をなされているかを示す。
103系が経済性が高いと言われた所以は、単にMT比1:1による運転が出来て車両費などが安いという点だけでなく、高い加速度と高い減速度によって同時代の他の抵抗制御車よりも消費電力量が少なく、経済運転が可能な点に依るところが大であった。設計当時は後者のメリットを語る記述が多かったが、1980年代以降に回生ブレーキ車が一般化し、さらに軽量ステンレスやアルミ車などが標準になってからは「103系は他系列より消費電力が経済的」というロジックは完全に過去のものとなっている。
下表は103系が量産され始めた当時に試算された他形式との比較表であり、103系が他形式よりも有利であることがわかる。電力消費率は、1kmまたは1000 tkmあたりの消費電力量だが、ここでは1000 tkmを用いている。また、消費電力量は運転時分を長くするとそれだけ減る傾向にあるが、103系の消費電力量、消費電力量率は他の形式に比べて運転時分が短い状態での数値である。同じ運転時分ベースで考えるとさらに103系の消費電力量等は下がる。
同一駅間における運転時分は、起動加速度を高くとり低い速度で惰行に移る方が省エネになる。このように103系は駅間距離が長くても到着時分は113系などと遜色なく、消費電力量も少ない。車両の最高速度が高いからといって、必ずしも目的地への到達時間が短くなるわけではない。
下表は113系と101系の主電動機をMT54にした架空形式、そして103系の3種類の形式を2M2T300%乗車、回復余力10%という条件で1km - 5kmの駅間距離の運転時分と消費電力量を計算したものだが、113系は限流値が低く起動加速度が低いため、省エネ率なども低くなっている。
鉄道車両の電力消費量は、編成重量に比例する。つまり車体が軽量であるほど、電力消費量は低くなるため、昭和30年代中頃よりステンレスやアルミによる車両軽量化が始まった。国鉄では、ステンレス車は試作車両のみに終わるが、営団地下鉄5号線（現、東京メトロ東西線）乗り入れ用として、昭和41年にアルミ車体の301系が103系ベースに設計されている。しかし、アルミ車体は製造費が高いこともあって301系の製造は56両で終わり、その後は地下乗り入れ用の車両も103系が製造された。営団地下鉄9号線（現、東京メトロ千代田線）では営団側がアルミ車体回生ブレーキ付きの6000系を使用していたのに対し、国鉄側が回生ブレーキを持たず、電動車比率の高い103系であり、営団側からも早期のチョッパ制御など省エネ車の導入を要請されていた。一時は費用が掛かるため断念したが、1973年末のオイルショック以後、省エネが社会問題となっていた事から、アルミ車体にした場合の効果を再考し、山手線などの冷房付き103系10両編成をアルミ車にした場合で各車両に10t荷重がかかった状態（満車は20tで査定される）では消費電力量が11%削減できると予測している。また、営団千代田線でも我孫子 - 代々木公園間で乗車率50%で実測したのが下表で、車体の軽量化と回生ブレーキを有する事で営団6000系は103系に比べて消費電力量が40%少ない結果となった。
経済運転は、動力費が原価の部分であると考えるなら企業内で取り上げられて当然であり、各鉄道会社でも古くは蒸気機関車の石炭消費量の節約方法など活発に行われた。103系のような通勤電車の場合も同様に経済運転の手法が確立されており、通勤電車のように起動・停止が連続するものに関しては、定格速度を低く取る事で起動抵抗を早く抜け抵抗ロスを少なくし、高速域は界磁を弱めて対応することが得策である。一定駅間を同一時分で運転する場合は、加速度を高くとり惰行時間を多く取ればブレーキ初速が遅くなりブレーキによるエネルギー損失を防げ、加速度を大きく取ると103系のような直流直巻電動機を用いる場合、定格速度が低くなるが、逆に起動時の抵抗ロスを減らす効果がある。抵抗損失は抵抗の抜ける速度の二乗に比例して増大するため、101系や旧型国電に対して抵抗を抜ける速度が約30km/hと低い103系は、これらの形式に比べて格段に抵抗損失が少なくなっている。結果として、103系を用いることで首都圏などの通勤線区では10%程度省エネとなっている。
103系電車が阪和線や東海道・山陽緩行線などに投入されると、駅間距離が長い路線では、一般に最高速度やブレーキ初速が高い運転がされているため、投入当初は苦情も多かった。しかし、原因の追及などによりそれらの不満は解消されることになるが、このことが恒久的な問題点だと記事にしたケースなどもあり、駅間が長く高速運転をする線区では103系は適さないと思われるようになった。
しかし車両設計事務所の川添雄司は「103系は駅間の長い路線や最高速度が高い路線など別形式が有利に見える路線でも、データを見ると103系に有利な数字が出るとしている。東海道本線・山陽本線などでは、3ドアの113系を4ドアにしたような車両でよいかもしれないが、比較すると103系の方が消費電力量が少ない。103系は駅間の短いところから長いところまで使える上に、価格も安い」と述べている。このことは前述の113系等との1km - 5kmの運転時分や消費電力量の比較などを見ても明らかである。
1985年9月から1986年9月まで山手線の103系と205系それぞれ1編成に積算電力計を設置し、実車による消費電力量調査を行っている。力行時の効果は205系が軽量ステンレス車体やボルスタレス台車などの採用で編成あたり65トン軽いという要素があり、補機については103系が主抵抗器の強制冷却用ブロアモーターがあること、冷房装置が205系の省エネタイプのAU75Gに比べて古いタイプであることなどによる差も含んだデータとなっている。回生率などのデータはその路線での運転方法と綿密な関連があるので、このデータはあくまでも山手線のものである。
京浜東北線に209系が配置されると、実際の消費電力量を車両サイドで調査している。この結果を受けて、209系には「この電車は、従来の半分以下の電力で走っています」のステッカーが貼られた。山手線205系での比較にあるように、103系は消費電力量の大きな冷房装置などを使っていることや抵抗器を強制冷却していることなどから、これらを含めると差はさらに広がる。
103系は長期間にわたり大量に製造されたことから、試作後20年を経過した1980年代後半より、アコモデーション面での見劣り、オイルショック以後の省エネ施策の未対応、スピードアップ要求に対応出来ないほか、乗り心地面など様々な面が指摘されるようになる。103系と同時期に設計された国鉄車両も同様な問題点があったが、例えば101系が一部の短区間路線を除き1990年代初めには置きかえられた反面、103系は最終増備車が1984年（昭和59年）製であることから、21世紀に入っても大量に残った。初期に製造された車両を少量数しか承継せず、比較的早い時期に近郊形電車で置き換えが可能だったJR東海は別にして、103系と同時期に製造され続け、103系同様に陳腐化した113系や115系電車を大量に抱えるJR東日本やJR西日本では置き換えのペースが遅く、格差が広がる結果となった。
通常の大量生産される輸送機器では同一の製品を20年以上もそのまま作り続けることは、日本では例がない。例えばスーパーカブのように基本設計の完成度が高く、登場時点で既に21世紀の製品にも劣らない信頼性を有していたものであっても、オイルショック以降の環境・安全面での要請の高まりに対応して大幅な改良が加えられた。しかし、103系電車は試作車落成後20年以上も製造が続けられ、目立った改良は1974年以降の生産分の先頭車両がATCに対応した高運転台タイプに改められた程度で、1980年代に205系が登場するまで新世代の通勤車両は103系を置き換えなかった。これらは下記のような理由によるものである。
国鉄では1960年（昭和35年）頃から日本国有鉄道規格、いわゆるJRS (Japanese National Railways Standards) が整備されはじめる。標準化の効果は費用が低減すること、品質が安定すること、作業能率が上がること、安全性が高まることなどメリットが多く、大量の資材調達を行う国鉄が導入することは当然のことであった。標準化による技術の阻害については、標準品を継続して使いつつ技術の進歩を蓄積し、一定のタイミングでモデルチェンジを行うことで技術開発との調和ができると考えられていたが、結果的には単純化の考えにより特定メーカーごとの特徴が出にくくなったこと、特定会社に有利にならないように配慮したことが逆にメーカーの競争力を奪ったことなど、技術革新テンポに合致せず技術の停滞を招く原因にもなり、JR後に廃止された。
車両を軽量化すれば維持費用が下がるほか、加速力が質量と関係があることから、加速性能や高速性能のアップが見込める。1960年代に入るとアルミやステンレス車体の試作車を製造し始め、国鉄でも関門トンネル用や営業車ではサロ153形やキハ35形などでステンレスを用いた車両を製造していたが、地下鉄東西線への乗り入れ用として1966年（昭和41年）にアルミ車体の301系を完成させる。301系では1両あたり5t近い車体軽量化が図られたほか、台車を空気ばね付きとして乗り心地を改善している。アルミ車体の採用によって103系と同一走行システムであり問題点を解決できたが、素材の価格が鋼板の6倍から7倍するアルミを用いた車両を大量に製造することは国鉄には難しく、1971年（昭和46年）の西船橋延長用の増備車は103系1200番台になった。これは軽量化で顕著な効果があったとしながらも、財政事情が悪い国鉄では同じ予算で1両でも多くの車両を製造したいという考えがあり、財政赤字が車両の改善をも影響を及ぼしていることがわかる。長期量産による長期維持費用の著しい低さ（短期的費用の安さ）と、「いくつかの欠点を度外視すれば、大方の用途において当面の必要性能を充足しうる」という103系の特性は、それが旧弊化・陳腐化していることが明白であっても、なお財政赤字の国鉄に増備を続行させる動機となったのである。
営団地下鉄が1965年（昭和40年）に銀座線の2000形を使用して国内初のチョッパ試験を行い結果的に6000系電車として量産を開始した。国鉄でも1967年（昭和42年）3月に101系電車を改造して力行チョッパ試験を行ったのち1969年（昭和44年）11月には装置を一新し回生ブレーキも含めたテストを行った。しかし、回生ブレーキの結果に難があり、翌1970年（昭和45年）11月にも現車試験を行ったが、回生ブレーキ時の界磁電流制御が今後の課題とされた。力行制御としては既に合格の域に達していたが、抵抗を低い速度で抜ける103系電車との比較では、重い装置を積んでチョッパ制御を力行だけで使うメリットがなく、回生ブレーキとの組み合わせが求められた。電機子チョッパ制御による回生ブレーキは発生電圧を抑える必要があったが、103系で用いているMT55は定格速度が低く、高い速度からの発電ブレーキでは発生電圧が高くなった。これらを改善するため、1972年（昭和47年）に直並列チョッパ装置を開発し、工場での試験では高速からの回生ブレーキに対して有効であることが確認された。しかし、当時の労使関係から、1974年（昭和49年）6月まで現車試験は行われなかった。国鉄の場合、標準化の観点もあり、同一システムを近郊形などにも波及させる困難さが付きまとい、地下鉄のようにブレーキ初速度が低い場所や誘導障害の範囲が限定される状態では導入できる技術も、多くの路線で使うことになる国鉄車での採用には、様々な問題点をクリアしていかねばならなかった。特に標準品との兼ね合いで設計が制約されることがあり、直並列チョッパのような余計な開発時間が必要になる要因を作っていたのも事実である。1975年（昭和50年）頃からは回生ブレーキの特殊性が理解され、チョッパ制御に適した主電動機の設計が認められることになり、チョッパ制御と対になるMT60主電動機の開発と、それを用いた回生システムなどが詰められていく。チョッパ制御の201系試作車が登場したのは1979年（昭和54年）1月であった。右表は電機子チョッパ制御車と103系の消費電力を試算したときの比率で、103系を100とした場合の節減率だが駅間の長い中央線では電機子チョッパ制御のメリットがないことがわかる。なお、回生失効は考慮していない。
103系は様々な線区で使用されたことにより、線区特性などに合致しないケースなども多く見られた。経営判断としての投入なのであるが、それ自体に疑問を投げかけられた。故障などの頻度を他形式と比べた場合、103系は他形式より件数が多くなることに留意する必要はある。なお、原因を解明したとしても、それが展開されずに他線区でも同様な問題点が発生する。
山手線の103系が40km/hから50km/hの間で電気ブレーキを掛けた場合に前後衝動が激しく、乗客にけが人が出ることもあった。そこで運転士が2段ブレーキを用いて対策を講じたが、ブレーキ距離などの問題があった。原因究明の結果、103系のMT55は電気ブレーキの立ち上がり時に急激に電流が流れることで大きなブレーキが発生していたことがわかった。よって、ブレーキ時の衝動は少なくなった。
技術の発達に伴い、電車の主電動機や台車等の走行機器から走行中に発生する車外への騒音は年々低減される傾向にあるが、基本構造が1960年代の技術水準に留まる103系は、その面でも改善がほとんど図られてこなかった。同時代に開発された旧型車両の置き換えが進行する中、103系は周辺環境対策でも不利な状況に陥った。
奈良線では2015年（平成27年）時点で他系列と並ぶ主力車として運用されているが、環境省が2015年（平成27年）に国土交通大臣に提出した、奈良線の複線化事業に係る環境影響評価における、沿線環境対策についての指摘項目では、「適切な環境保全措置を講じ、転動音、車両機器音及び構造物音の低減を図ること」として、ロングレール化や、鉄橋におけるコンクリート床版化の極力導入と並び、「103系車両からの代替による低騒音型機器搭載車両の導入推進」が挙げられている。
常磐快速線と阪和線で問題になった。これは103系単独の問題ではなく、運用上、阪和線では113系、常磐快速線では401・403・415系と並行ダイヤを組むことになったためである。加減速度が高く中間加速度で劣る103系と各近郊型電車とで並行ダイヤを組んだため、どちらの特性もスポイルした。更に常磐快速線では485系（後に651系も加わる）特急もそのダイヤの中に入りこんだため、ダイヤカットに苦労することになる。
このため、東京鉄道管理局では1972年（昭和47年）の中央・総武緩行線分離後に首都圏の101系を常磐線に集結させ、上野～取手間の快速電車と取手以北へ行く中距離列車の加減速特性を近づけ、同時に松戸電車区の103系0番代を常磐快速線より平均駅間の狭い線区に転出させることが検討された。しかし、この計画は実現しなかった。常磐線快速電車と中距離列車の特性を揃えるという対策は、JR化後に前者をE231系、後者をE531系に置き換えることで実現した。
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、国鉄及びJR各社は性能面の抜本改造を嫌う傾向にあり、実現していない。
103系は大量に生産されたが、何の目的で製造されたかという製造名目がある。年度計については早期債務や1次債務での発注は年度初めに投入される部分であるが、1960年代前年度末までに入っていたことがあり、それに従い、年度末までに投入された予算は年度をまたいでも前年度で計上しているものもある。
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。
MT比（電動車と付随車の比率）1:1で駅間距離の短い通勤線区で運用されることを前提に、主電動機を低回転数域トルク特性を重視して定格回転数を引き下げ、これに合わせて電機子の磁気容量を大きく取った新設計のMT55形とした。原設計は日立製作所が担当。なお同一機能で完全互換性があるものの、製造年度により初期型のMT55、中期型でISOネジ採用のMT55A、冷却ファン構造が強化されたた後期型MT55Aの計3種類が存在し、走行時の音が異なる。
本系列は電動車にMM'ユニット方式を採用しており、モハまたはクモハ103形と102形に主要機器を分散搭載して、電動車2両を1単位としている。形式解説順序は慣例に準じて記述する。車両の方向は東海道本線基準で奇数向きは東京寄り、偶数向きは神戸寄りを表す。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。
1984年までに3184両が製造された、103系の基本形式である。長期にわたり大量に製造されたため、途中で様々な改良が加えられている。製造時期ごとに解説する。以下の分類は製造年による区分である。
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。
上記に続いて製造された量産車グループで、クモハ103-134 - 155・モハ103-160 - 278・モハ102-293 - 433・クハ103-115 - 177・617 - 638・サハ103-226 - 305の計447両が該当する。1967年（昭和42年）に「昭和42年度本予算追加車」が常磐線に、続く「昭和42年度第3次債務車」が阪和線にと高速運転中心の路線への投入が開始され、本系列の使用方法に対する不満や疑問が発生する原因をつくったグループである。
クモハ103形0番台とクハ103形500番台は、本グループで製造が打切られた。本グループからは高速運転対策として、付随車の台車を踏面ブレーキ装備のTR201形からディスクブレーキ装備のTR212形に変更している。
地下鉄直通用の1000番台・1200番台を除く1970年（昭和45年）までに製造された先頭車（クハ103-1 - 179・500番台・900番台全車・クモハ103-1 - 155）の前照灯は、101系と同じく250Wの白熱灯1灯装備で製造されたが、後年になってシールドビーム2灯に改造された車両が多数である。1975年に大井工場（現在の東京総合車両センター）で事故復旧工事施工のクハ103-544、同じく1977年施工のクハ103-4をはじめ、1979年からは本格的に施工された。一方で未改造のまま白熱灯で残存した車両も存在し、2000年（平成12年）11月6日廃車の京葉電車区（現在の京葉車両センター）所属クハ103-562が、最後の白熱灯車両である。
1968年（昭和43年）に京王帝都電鉄（現在の京王電鉄）が初代5000・5100系電車増備車に冷房を装備したのを皮切りに、私鉄において冷房を取付けたロングシート車両が登場したのに呼応し、私鉄とのサービス格差を改善する目的で試作冷房装置を搭載して山手線に10両編成1本が試験投入された。
冷房方式の比較・検討のために以下の仕様となった。冷房装置の本体構造には次の大きな相違点がある。
後に東芝と日立も2ユニット構成のAU73X形およびAU74X形を試作したが、最終的にもっとも完成度が高かったAU75X形が標準機種として選定された。
このグループはクハ103形最後の白熱灯式前照灯採用車であるが、冷房搭載のほかに以下の設計変更が行われた。
当初は池袋電車区（現在の池袋運輸区）に配置されていたが、1978年（昭和53年）の冷房試験終了後に量産冷房車と同仕様に改造。1979年（昭和54年）以降は山手線のATC化に伴う転配により、各車が転属を繰り返すようになった。
2000年（平成12年）4月3日に習志野電車区（現在の習志野運輸区）配置の4両より廃車が始まり、2005年（平成17年）11月22日に京葉車両センター配置のサハ103-307をもって廃車となった。
現在では、JR奈良線に、クハ103-167
(NS402編成)が残るのみ。
モハ103-282 - 330・モハ102-437 - 486・クハ103-180 - 212・サハ103-308 - 323の計148両が該当する。発注時点で前述の試作冷房車が試験中であったことから非冷房車として製造されたが、これまでの運用で表面化した問題への対策が講じられ、随所に改良が行われたことから、「1次改良車」とも呼ばれる。
変更点は次の通り。
冷房化はグループ全車にAU75系冷房装置は搭載されず、分割民営化後に軽量な集約分散式WAU102形（JR西日本）やAU712形（JR東日本）を搭載した車両も存在する。冷房改造時にクハ103形の前面通風口は埋込まれており、現存車両はすべて後述の1973年（昭和48年）製造車と同一形状となった。京阪神緩行線に編成単位で集中投入されたため、大部分の車両が明石電車区（現・網干総合車両所明石支所）に新製配置されており、クハ103形は188が松戸電車区（現・松戸車両センター）に新製配置された以外は関西に配属され、JR西日本に承継された。
前述の試作冷房車の試験結果を踏まえ、1次改良車を基本に当初から冷房装置を標準搭載して製造されたグループで、モハ103-331 - 413・モハ102-487 - 569・クハ103-213 - 268・サハ103-324 - 359の計258両が該当する。ただし、京浜東北線に配置されたモハ103-373 - 382・モハ102-529 - 538は、非冷房車編成に組み込まれることから非冷房車として製造された（後にAU75系冷房装置にて冷房改造）。
冷房装置はモハ103-410、モハ102-566、クハ103-266、サハ103-357まではAU75A形、以降はロールフィルター内蔵のAU75B形が採用された。電力供給用電動発電機 (MG) はモハ102形に制御・補助回路兼用としつつ、冷房電源として自車を含め4両まで給電可能な出力 (160kVA) の物を搭載して、一括給電するように変更され、本系列のMT比が最大でも1:1で、編成中4両に1両は必ずモハ102形が含まれることを考慮して決定された。これにあわせて、車体2・4位側にも、電動発電機用冷却風取入口を設置した。
また、以下の改良も行われた。
当初、山手線・中央線快速（主に特別快速で運用された）および大阪環状線に投入されたが、後述のATC化と関連して関東配属の先頭車の多くは1974年（昭和49年）に新製の中間車と組んで京阪神緩行線（配属は高槻電車区）に転属した。「低運転台+新造時からシールドビーム」形態のクハ103形は関東地区では極めて少数派となった。中央線快速残存車は、後に中央・総武緩行線に転用されて津田沼電車区に転属。さらに一部の車両は後述のリニューアル工事を受け、仙石線（陸前原ノ町→宮城野電車区）に転属した。
モハ103-414 - 786・モハ102-570 - 899及び2001 - 2043・クハ103-269 - 499及び701 - 844・846・848・850・サハ103-360 - 503の計1268両が該当する。
本グループは、クハ103形に大幅な設計変更が実施された。
後に中央快速線や福知山線などのATC非設置線区にも投入されることになり、対応するクハ103-797・799 - 808・810 - 815・817 - 844・846・848・850はATC関連非装備で製造され、ATC機器室の省略・戸袋窓を復活・ME40A形ブレーキ弁装備で落成した。
さらに以下の変更が行われた。
なお、本グループをもってクハ・サハ103形は製造終了となった。
モハ103-787 - 793・モハ102-2044 - 2050の計14両が該当する。
201系の製造が開始されてから製造であったため、以下の設計変更を実施した。
赤羽線の10連化および山手線輸送改善の件名で新製され、池袋電車区に配属された。
その後、カナリア色の5ユニットはウグイス色に塗り替えられ、1985年（昭和60年）9月末の埼京線開業（赤羽線の延長）による受持区所の変更のため川越電車区（現在の川越車両センター）に転属し、そのまま埼京線で運用された。分割民営化時には、全車JR東日本に承継された。
1965年（昭和40年）に京浜東北線への本系列投入が開始されたが、当初は基本編成と付属編成の分離運転が考慮されていたことと、下十条電車区と蒲田電車区では検修線が10両分無かったことから3両と7両に編成を分割して使うこととなった。投入当時は京浜東北線の10両設備が未完成であったことから2両+6両の8両編成で使用された。2両と6両に分ける必要があるため奇数向きの先頭車としてクモハ103形が設計され、反対側はクハ103形0番台が連結された。しかし、クモハ103と対になるクハ103形は向きが偶数向きに固定されることから、両渡り式のクハ103形0番台では、ジャンパ栓納めや床下の配線が一部省略できること、両栓のジャンパ連結器を片栓の物にできることで費用を下げることが図れることから、1966年（昭和41年）4月以降の10両編成対応の製造分から、偶数向きの片渡り式にしたクハ103形500番台に設計変更された。クハ103形0番台との外見上の違いは、正面右下にあったジャンパ連結器納めがない点である。クハ103-617番以降の台車がディスクブレーキのTR212形に変更されている。また、陸前原ノ町区の車両の一部はジャンパ栓を片栓から両栓に改造している。
1963年に先行試作車として新造された車両で、山手線用に4両編成2本が製造された。量産車との相違点を以下に示す。
当初は1 - を称していたが、1964年（昭和39年）3月31日付けで900番台に区分変更・改番された。
1967年（昭和42年）2月に量産車化改造が施工された後は量産車と混用されたが、最終配置はクハ103形が豊田電車区で青梅・五日市線、電動車ユニットが川越電車区で埼京線で、それぞれ老朽化により最後まで冷房化されることなく1992年（平成4年）までに全車廃車となった。
加減速時に発生する空転を防止する観点から、1967年に制御段数を力行55段・ブレーキ51段と大幅に増やしたCS30形超多段バーニア式制御器を搭載した試作車の区分である。
制御器搭載のモハ103-911 - 913とユニット間の引通線を一部変更したモハ102-911 - 913の合計3ユニット6両が製造された。品川電車区に配置され、山手線で試験が行われた結果、問題点の改善策を講じた量産型であるCS40形が後述の地下鉄乗り入れ用1000番台に採用された。精密なバーニア機構は製造費用が高く保守にも手間がかかることから、1000番台・1200番台に採用されたに留まり、その他の増備車は従来型のCS20形のままで製造された。
山手線で910番台は1編成に集約の上で運用されていたが、同線の205系化により他線区に転出させる際、特殊な制御器淘汰を名目に以下の転用改造が施工された。
1994年にモハ102-913が、1995年にモハ102-911が廃車となり区分番台消滅した。
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。
常磐緩行線・帝都高速度交通営団（営団、現・東京地下鉄）千代田線直通運転用として、1970年（昭和45年）から10両編成16本160両が製造され、松戸電車区（現在の松戸車両センター）に配置された。落成から千代田線乗入開始までの一時期は地上区間で運用された。
以下の設計変更が行われた。
千代田線開通以後、長らく国鉄側所属車両として千代田線直通専用に充てられたが、営団が新造した回生ブレーキが使用可能な電機子チョッパ制御車6000系より電力消費量が格段に多いことや、抵抗器からの排熱によってトンネル内温度が上昇する・車内の床が焦げるなどという問題が発生したことから、1984年から1986年（昭和61年）3月までに203系へ置き換えられ（詳細は常磐緩行線#複々線化の沿革と問題を参照）、捻出された本区分番台は以下の経過をたどった。1989年（平成元年）には10両編成1本が営団東西線乗入用として三鷹電車区（現在の三鷹車両センター）に転属し、営団東西線用ATC-3形（色灯式信号用ATC）・デッドマン装置付マスコンハンドル化・塗色変更を施工した。廃車は2002年（平成14年）からで、松戸区の車両は常磐快速線・成田線へのE231系0番台の投入によって2004年（平成16年）3月までに、三鷹区の車両は東西線乗入運用へのE231系800番台の投入によって2003年（平成15年）5月30日に運用を終了し全車廃車となった。
中央・総武緩行線・営団東西線直通運転用のグループで、301系の増備車にあたる。国鉄の財政難により、地下鉄乗り入れ車の製造費用低減のために製造された本系列の区分番台で、301系と同じ7両 (6M1T) 編成を基本としたため、地上形にはないクモハ102形 (Mc') が開発・製造された。1970年（昭和45年）に1本（7両）、1972年（昭和47年）・1978年（昭和53年）にそれぞれ2本（28両）の計5本（35両）が製造された。
1000番台からの変更点を以下に示す。
1987年（昭和62年）の国鉄分割民営化に際しては、35両全車がJR東日本に継承され、全車、AU712形集約分散式冷房装置により冷房改造を施工し、一部は常磐快速線に転用された（以降の状況については、#1200番台塗色変更・10両編成化関連も参照）。最後の1200番台となったK9編成が、2003年7月31日に大宮工場（現在の大宮総合車両センター）へ廃車回送された。これをもって本区分番台は消滅した。
唐津線・筑肥線・福岡市地下鉄1号線（現在の空港線）直通運転用として、1982年に6両編成 (4M2T) 9本54両が製造された。編成番号は3両ずつに分かれている。
製造当時、既に常磐緩行線・千代田線直通用として電機子チョッパ制御の203系電車が製造されたが、筑肥線は筑前前原以西の駅間距離が長く列車密度も低いため、ブレーキ頻度や回生負荷の面で電機子チョッパ制御車を導入しても省エネ効果や回生制動力が期待できないことから費用の安い本系列が一部設計変更のうえ導入され、唐津電車区（現在の唐津鉄道事業部唐津運輸センター現在は唐津車両センター）に配置された。
1500番台のみ、日立製作所で製造された（川崎重工業と分担）。
本区分番台の変更点を以下に示す。
1987年（昭和62年）の国鉄分割民営化で全車がJR九州に継承されたが、同社に継承された本系列は本グループのみである（その後の状況については、#JR九州も参照）。分割民営化後、4本が先頭車化改造により3両編成化された（#編成分割参照）ため、2010年（平成22年）時点で13本54両となった。3両編成は限定運用、6両編成は303系代走運用も担当した。なお、クハ103-1504は1998年（平成10年）3月に今宿駅付近で強風により脱線したが、復旧している。
乗り入れ先の地下鉄線はATO路線であり市営地下鉄の車両ではこの機能を利用したワンマン運転を行っているが、当グループにはATO装置が搭載されておらず、地下鉄線内はATCを利用して運転を行っていた。また同線内のホームドアとの連動もできないため、地下鉄線内では車掌が乗務し、ドア開閉は車掌スイッチとともにホームドア開閉スイッチを操作していた。
2014年（平成26年）7月31日、JR九州より後継となる305系の投入が発表された。6両編成6本が製造され、2015年（平成27年）2月5日より営業運転を開始している。これに伴い順次地下鉄乗り入れ運用から離脱し、6両編成5本と3両編成2本が廃車となり、JR九州小倉総合車両センターにて解体された。現在では残った3両編成が筑前前原と西唐津の間でワンマン列車として運行されている。
1979年より仙石線の旧形車（主に72系）の置換えのため、首都圏各線への0番台ATC対応車投入で捻出された山手線・京浜東北線・横浜線・青梅・五日市線で運用されていた0番台初期車が転用された。首都圏とは異なる寒冷地の仙石線事情から、投入時に以下の改造を施工した。全車スカイブルー塗装で入線している。
国鉄末期の1986年にクハ103-10・42・74の3両に対し、車内に清涼飲料水の自動販売機とゴミ箱が設置された（いずれも後に撤去）
2本を除き全編成が非冷房編成であり、冷房編成のうち1本は1987年（昭和62年）に105系電車に改造されている。
全車JR東日本に継承されたが、更新車の導入により1993年までに全車廃車となった。
1989年以降、首都圏への205系電車投入によって余剰となり、在来形本系列置換え用として仙石線に入線した車両は、車両更新工事が施工されたが、通常の更新車と異なり、以下の改造が施工された。ただし一部は冷房化率100%を早期に達成するため、未更新のまま入線した車両もある（その後、改めて改造を施工して再入線している）。
のちにRT-105・107・131・235編成ではモハ103形のパンタグラフを2基に増設するダブルパンタ化が実施され、2000年には扇風機やベンチレーターの撤去も施工されたが、老朽化が進み205系3100番台に置換えが決定し、2004年7月までにRT-235編成を除く17編成が運用を終了し、廃車・解体された。なお、後述の川越電車区に投入された3500番台よりも改造箇所は多いものの、改造に伴う区分変更・改番は行われていない。
仙石線での本系列運用は2004年7月に一旦終了したが、2006年以降に予定された多賀城駅付近の立体交差化工事の際に車両不足が想定されることから、本編成のみ郡山総合車両センターで留置された。2006年11月に同センターで復帰のための整備が施工され、2007年3月19日より営業運転に復帰した。
復帰の際に以下の改造工事も併せて施工された。
復帰後は平日朝のラッシュ時に区間運転2往復限定で運用された。しかし、老朽化と首都圏配置車の需給調整の結果、南武線209系2200番台投入により205系が捻出できることになり、2009年10月21日を最後に営業運転を終了。同月26日に郡山総合車両センターへ廃車回送され、2010年1月に解体された。
1977年にATC対応車の投入で捻出された0番台初期車が中央本線（中央西線名古屋地区）に投入され、神領電車区（現在の神領車両区）に配置された。初期投入分が京浜東北線・横浜線、後期投入分が青梅・五日市線からの転用と統一された。投入時に以下の改造を施工した。
運用はラッシュ時に10両編成とされていたが、以下の変遷を経ている。
投入当初は置換え前の72系が5+5両編成であり、近い両数による組成としたためで、1986年11月1日ダイヤ改正後は輸送力適正化のため日中運転用の付属編成を3両とした。
種車は1974年（昭和49年）に仙石線用72系4両編成5本計20両の車体を郡山工場で同時期製造の本系列と同等の車体に更新したアコモデーション改良車のモハ72形970番台・クハ79形600番台で、1985年 - 1986年に大井工場・大船工場・大宮工場・新津車両所にて本系列への編入改造を施工した番台区分である。
モハ72形970番台・クハ79形600番台は、1980年までに本系列投入による仙石線の未更新旧形車両が置換え後も運用されていたが、1985年に同線の車両が本系列に統一されたため運用を喪失した。しかし、車体更新からの経年が浅かったことと当時の国鉄が逼迫する財政であったために転用先が検討された。
ほぼ同時期に埼京線の開業ならびに川越線の電化が完成し、大宮 - 川越 - 高麗川間の区間運転用電車が必要となった。そのため、旧性能電車の新性能化という、国鉄としては稀な改造工事を施工しての投入となった。車端部装着の製造銘版には昭和28年（=1953年）や昭和29年（=1954年）など改造種車の製造年が記載されていたが、21世紀まで活躍し製造から50年以上も現役だった。
分割民営化では全車がJR東日本に継承され、その後AU712形冷房装置とインバーター (SIV) を搭載して冷房化、同時に側面行先表示機（先頭車のみ）も搭載する改造が施工された。
1996年（平成8年）には、八高線八王子 - 高麗川間の電化完成に伴い同線でも運用開始されるとともに、輸送力増強と新たに投入された本系列3500番台改造車、209系3000番台と編成を合わせることから、サハ103形3000番台を川越線用3000番台編成に組み込み4両編成となった。これにより3000番台は川越電車区配置となり、以下の編成が組成された。
老朽化により205系3000番台・209系3100番台への置換えで廃車が進行し、2005年（平成17年）10月2日の「川越線電化20周年記念号」をもって運用を終了。その後もハエ53編成が予備車扱いで残存したが、11月中旬までに全車廃車・解体され区分消滅した。
1996年（平成8年）3月の八高線八王子 - 高麗川間の電化では、川越線用3000番台が同線でも運用されるようになったが、運用区間の延長で既存の車両では必要編成数が不足した。そのため、209系3000番台4本が新製されたほか、本系列の0番台4両編成1本が寒冷地走行用に半自動扉機能設置の改造を施工され川越電車区に投入された。
本改造施工車は新たに3500番台に区分された。半自動扉は3000番台の手動開閉方式に対し、押ボタン開閉方式とされた。
3000番台と共通運用されたが、2005年（平成17年）4月に廃車・解体された。JR西日本に播但線用「3500番台」区分車が存在するが、関連ならびに重複車番はない。
下関運転所（現在の下関総合車両所運用検修センター）の115系非冷房車置換えのため、山陽本線下関地区に本系列が投入されることになり、以下の転入対応改造が吹田工場・鷹取工場で施工された。
1992年5月から運用開始したが、トイレを装備した近郊型電車に置き換えられ広島運転所に転属。広島地区（山陽本線・呉線・可部線）での運用された。
4両編成は2007年から関西地区で余剰となった113系に順次置換えられ、2011年3月1日のE-07編成の廃車をもって全廃。一方、4両編成のうち付随車を抜いて3両にした編成は3本が組成され、2008年にクハ103（86・170・171）にトイレの設置と側面方向幕が移設され使用が継続されたが、2015年3月14日に227系に代替される形で全車運用離脱、広島地区から103系が完全撤退した。当該編成は朝、運用についたあと、2編成を連結し下関にある下関総合車両所本所に回送、その後に解体された。
下関地区と同様に115系非冷房車を置換えるため、1994年より広島支社に続いて岡山支社にも投入、同年4月25日より営業運転を開始した。塗装については独自の「マスカット色」に変更された。岡山電車区に4両編成5本20両配置で、山陽本線岡山地区や宇野線などで運用。
編成構成はすべて0番台でクハ103形は1次改良型と初期量産冷房車、中間車も1971年以降のユニット窓装備車で統一された。
長らく20両で推移したが、2004年に213系「マリンライナー」の転用により運用離脱し、3編成が広島支社に、N40施工MM'ユニット1組が奈良電車区に転属し、MM'ユニットと編成を組成していたクハ2両は廃車された。残存1編成は予備車とされたが2006年に廃車され、完全に運用を離脱していた。その直後にアーバンネットワークでの車両置換えに伴い、奈良電車区・日根野電車区からの余剰車が転入して、本系列の運用が再開された。
1994年転入車と同じ0番台であるが、上記の編成構成かつ初期車の率が高く1本は戸袋窓が存置されているなど比較的状態が良いのが特徴。その後現在までに車両交換があり、1994年転入車と同構成の編成も在籍するようになった。ただし、塗装は統一されていない。2008年末からは、広島運転所からの転入も行われたが、こちらも塗装変更は未施工のままである。なお岡山地区からは103系は引退している。
1998年3月14日の播但線姫路 - 寺前間の電化完成に伴い、同区間で本系列が投入されることになった。需要とワンマン運転の利便性から、営業用としては本系列初の2両編成となり、改造費抑制のためにクモハ103形2500（元・5000）番台ユニットから9本が1997年から1998年にかけて3500番台に区分改造され、網干電車区（現・網干総合車両所）に配置された。改造種車には状態の良い車両が選定されたため、製造の新しいユニットが中心である。JR東日本に同じ番台区分が存在したが、関連性や設定形式が異なるために車番重複はない。設計は吹田工場が担当し、改造は吹田工場と鷹取工場で施工されている。同時に体質改善40N工事を施行。一部に延命N40工事施工車が存在するが、重複施工となった。
クモハ103-3501・クモハ102-3501編成は、体質改善40N施工車で乗降ドアのガラスの支持方が205系と同様であり、ガラス周りに金属フチがない異端車。
また本区分ではワンマン運転時対応のため以下の特化した装備を持つ。
また、直通予備ブレーキの追加のほか、自動解結装置、耐雪ブレーキも装備されている。
ワンマン対応工事と同時にEB装置が設置された。2005年から2007年にかけてクモハ102形に3550番台と同型のトイレが設置され、窓が埋め込まれた。2009年以降、ATS-PやTE装置の取付が行われている。また、BH3、BH9の両編成にはパンタグラフが2つ搭載された。
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。
2001年の和田岬線電化に伴いスカイブルー塗装で延命N40工事車統一の6両編成1本が網干総合車両所明石品質管理センターに配置された。本編成が検査などで運用を外れた場合は207系で運用される。
同線に列車の運行が無い日中時間帯は乗務員訓練に使用されるため、前面にワイパーが3本取付られた。
また、乗務員室と客室間の仕切り窓の形状は独特な角ばった形状で、ガラスの支持方法は他の延命N40と異なりゴム押さえではなく金属押さえになっている。
2004年12月19日の加古川線全線電化に伴い播但線と同様にワンマン運転対応の2両編成が投入された。網干総合車両所加古川派出所に8本が配置されたが、様々な変更が加えられたため新たに3550番台へ区分された。
改造施工は吹田工場と下関車両センターだが、両者には床面ビニールクロスの色や妻面部分化粧板の固定方法など細かい部分での仕様差がある。落成が電化より早く、登場からしばらくは網干駅や、網干総合車両所などに留置された。3500番台と共に分割・併合が多い路線に配置されるが、電気連結器などは未装備である。
3500番台ではクモハ103形ユニットの反対側のモハ102形に運転台が設置されて組成されたが、本区分では体質改善40N工事施工済のMM'ユニットが種車となった。この時期の体質改善は簡略化した30N工事に移行していた上にクモハ103形ユニットは年齢が高い車両が多く、前面形状を変更することから既存の運転台が使えないという事情があった。
種車は森ノ宮電車区・奈良電車区の編成からMM'ユニットを抜き取り、両端に運転台を設置した。運転台形状は大幅に変更され、前照灯を窓下に配置し、2編成併結時に乗客の通行ができるよう貫通扉を設置し、105系に近いスタイルとなった。この措置は同時期に改造されたクモハ115形1600番台との共通点が見られる。
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。
国鉄は1970年代になると財政難により、新造費用を軽減する目的で、別の用途に振り向けた。
1970年（昭和45年）12月10日より大阪環状線の一部を8両編成化した。大阪環状線は101系または103系の6両編成が25本配置されており、ラッシュ時2分40秒間隔運転を行っていたが、8両編成化にあたりラッシュ時の時隔を3分に戻し、捻出される6両編成4本24両を既存の6両編成に組み入れる編成替えを行い、6両編成12本を8両編成12本に組成し直した。しかし、101系は8両化に際して4M4T編成が組めず6M2T編成になることから、編成替えにあたってサハ101とサハ100が余ったため、そのサハを103系6両編成に組み込み103系も8両編成にするため若干の小改造を行なったものである。森ノ宮電車区所属のサハ100-55・58・サハ101-55・58の計4両に、ジャンパ連結器をKE57形2基からKE70形1基へ交換、貫通幌を交換する小改造を吹田工場で施工した。この4両は番号変更は行われず1979年（昭和54年）までに復元され片町線の101系編成の6連化用に転用された。
1964年（昭和39年）度から赤字経営となった国鉄は、無駄をなくすことが求められた。モーターの付いていない101系は簡単な改造で103系と連結できることからサハ101形を103系化改造したものがサハ103形750番台である。下記の30両が国鉄時代に改造されているが経年の浅い101系の車両を選んでいる。サハ100形も同様工事を施工して700番台とする計画も存在したが実施されなかった。車体そのものにはほとんど手を加えられていないことや元々本系列が101系の構造を基本に設計されている関係で、連結時の外観上の違和感は少ないが、細部ではサハ101形の車高はサハ103形よりやや低く、台車もDT21T形もしくはTR64形という若干の差異がある。
改造時期・種車形態・改造内容により以下の5種に細分できる。
分割民営化時にはJR東日本とJR西日本に継承。一部は延命工事が施工されたが、早期に廃車対象となり、2002年にJR西日本で765が廃車となったのを最後に全廃となった。
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。
1983年（昭和58年）に常磐線で車両需給上、クハ103形0番台2両+1000番台電動車8両の10両編成を組成する必要が生じ、該当編成に組まれるクハ103-93・188・627・636に対して施工された併結対応改造。
仙石線時代の4両編成×5本から3両編成×5本への編成組替を含む本系列化改造である。
本系列化改造を施工するにあたり、制御器をはじめとする機器は新品としたが、以下で示す機器・部品の有効活用が行われた。
また、種車の構造を有効に活用するため、0番台車とは以下の差異がある。
なお、形式ごとの種車には以下の関連がある。
上記の改造に漏れたモハ72形5両は休車となったが、1986年（昭和61年）11月のダイヤ改正で青梅・五日市線が4両化されることになり、電装解除されてサハ103形3000番台となった。電動車であったことから、屋根上にパンタグラフ台が残るなどの特徴のほか、機器類も流用品である。オレンジバーミリオン（朱色1号）に塗装され豊田電車区配置となり、以下の編成を組成した。
1986年（昭和61年）の関西本線（大和路線）と阪和線の編成短縮・編成数増加政策に伴い先頭車が不足したため、余剰となった101系の先頭車が改造・編入された。種車によって以下の番台区分とされた。前述のサハ103形750番台同様、車体には手が加えられていないが、101系と本系列では前面の窓形状が異なっているため、差異が目立っている。冷房装置・側面行先表示器の搭載は未施工のままであった。
分割民営化時には全車JR西日本に継承された。1991年（平成3年）に2052が阪和線のATS-P形化に際し対応工事を施工されないまま京阪神緩行線に転用されたものの、経年や事故で早期に廃車対象となり1992年（平成4年）までに全車廃車され区分消滅した。
本系列は、大量輸送に特化した国鉄の標準型通勤形電車という形態から、20年以上に渡り製造が継続された。そのため性能・設備面では陳腐化が目立ったが、1983年（昭和58年）3月の中央線快速が201系への、1986年（昭和61年）4月の常磐緩行線が203系への置換え完了を除き進行しておらず、分割民営化時には現役車両は全て承継された。しかし、その後はJR各社で新型車の開発・投入による置換えにより廃車が進行した。その一方で国鉄時代より柔軟かつ徹底した改造施工例も多く、様々な新区分番台も発生した。
JR東日本では、東中野駅列車追突事故以降にATS-P形化を促進させた。単に機器搭載のみならず、ME40形ブレーキ弁搭載車の大半はME48形への交換が行われた。ただし、クモハ103形は、車上機器の搭載スペースが不足したことから、苦肉の策で運行番号表示窓を潰して搭載。運行表示器は前面ガラスに設置した。
また、運用路線ごとに特化した仕様への改造も施工された。
しかし、1990年代からは205系・209系・E231系などの置換えにより廃車が進行した。首都圏では2006年（平成18年）3月18日のダイヤ改正までに全車が定期運用を離脱。同年4月8日の常磐快速線でのさよなら運転、その翌日の車両展示会を最後に営業運転が終了し、仙石線では最後まで残っていたRT-235編成が2009年（平成21年）10月21日に営業運転を終了した。
これにより、同社の本系列は消滅。なお、以下で同社が施工した大規模改造工事について解説を行う。
国鉄時代から非冷房車に対して冷房改造工事を行ったが、従来からのAU75系冷房装置での改造は構体の補強なども踏まえ、1両あたり2000万円から3000万円の費用と2か月から3か月の改造時間を要した。そこでJR九州が1987年（昭和62年）度から18000kcal/h×2の床置きタイプのAU2Xを開発し費用・工期ともに三分の一で改造できるようになり、冷房化率100%を達成した。しかし、乗客の多い通勤形電車の場合の必要な冷房能力を計算したところ240%乗車時に30%の人が快適と感じるには42000kcal/hの能力が必要である。これらを考慮してJR東日本では同年9月、サハ103-128の屋根上両車端部に1基ずつ取り付ける分散冷房装置日立FTUR-300-102形を試作した。1988年（昭和63年）度から同様な屋根上配置のAU712形冷房装置（冷房能力21000kcal/h×2）を開発して冷房改造を進めた。当初の冷房用電源はモハ102形に搭載されるMGによったが同年下期からは屋根上にSC24形補助電源装置 (SIV) を取り付け、他車からの電源供給が無くても冷房が使えるようにした。その結果、冷房用の引き通し線を車体に設けておらずAU75系搭載車と混結した場合に、AU712冷房改造車をまたいでの冷房電源の供給が出来ず、冷房が効かなかった。また、SIV搭載で改造された車両は初期車が多く、一時的な延命といった形だったため、廃車対象となった。MG給電車は2005年（平成17年）にモハ103-185+モハ102-340の廃車により営業車両から退き、SIV搭載車は0番台は2004年にクハ103-125の廃車で消滅し、残った3000番台も2005年に廃車された。側面の行先表示機の設置は一部にとどまり、クハ103の偶数向き車は基本的に設けられず、仙石線更新工事施行車に後付けされたほか、SIV搭載型はクモハと3000番台の先頭車以外は未施工であった。
1989年から分割併合運用の多い以下のクハ103形に自動分併装置取付工事取付が施工された。
国鉄時代から特別保全工事が施工されていたが、同社では、1988年（昭和63年）から一層徹底した延命工事に切り替えられた。施工対象は、主に1967年 - 1972年製造車で、一部は冷房化も施工された。本工事は複数の工場が担当しており、車内でも化粧板の柄や腰掛モケットが異なるなど、仕様に差異が見られる。*大井工場施工車の一部は袖仕切設置が施工され、長野工場施行車はドアコック蓋が原型のままである、など。
1992年（平成4年）に低費用で量産可能な209系が登場するとJR東日本は更新工事を中止し、老朽車の置換えに移行した。そのため、後期車の大半は未更新車であり、後期車の多い中央・総武線では更新車の比率が他の路線に比べて低かった。
1991年に同社では、乗務員を対象に定期的に行う異常時の取扱いや応急処置等の教育訓練のため保留車を整備することになった。一般営業用車両を現車訓練に用いることが難しくなったことも一因である。
本系列の訓練車は非冷房車3両3編成が整備され、豊田電車区・浦和電車区・松戸電車区に配置した。一般車両との識別のため、これらの編成の車体には2本の白帯と「訓練車」の文字が書き込まれた。浦和・豊田配置のモハ102形は、一部のドアの締め切りや荷物棚の撤去、機材置場の設置などを行ったため事業用車両に変更となり、新形式のモヤ102形となった（モハ102-138・140→モヤ102-1・2）。
その後、改造種車が非冷房だったこと、ATC・ATS-S形・P形が未搭載で本線運転に制約があったことから、1995年に冷房車の4両3編成と交代となった。豊田・浦和配置編成は、モヤ102形に改造された（モハ102-508・519→モヤ102-3・4）。
これにより本系列の訓練車編成は消滅。
CS30形超多段バーニア式制御器搭載試作車の同ユニットは一般車とは混結運用ができないことから、山手線から転用する際には以下の2グループに分かれた。
1989年（平成元年）に中央・総武緩行線に205系が黄帯で登場し、誤乗防止の観点から帯色をスカイブルー（青22号）に変更した。同時に駅の放送や案内板も「銀色に青帯の電車」に変更された。1987年（昭和62年）4月1日の国鉄分割民営化後は、JNRマークをラインカラーで塗りつぶし、白色の巨大なJRマークを先頭車の側面窓下に貼付するという小変化があった。
ラインカラー変更とほぼ同時期に冷房改造が若干早期に行われたため、冷房改造された黄帯編成も存在した。同時にクモハ102形を除く全形式に側面行先表示器を搭載し、前面方向幕も連電動化された。
1991年（平成3年）12月1日ダイヤ改正では東西線完全10両化により、7両編成で残存していた本系列5本（35両）と301系2本（14両）は全て10両編成に組み替えられた。余裕が生じていたため12両が常磐快速・成田線用として松戸電車区に転出した。これは、冷房化の予備車を確保するために松戸電車区から借入扱いで転入していた103系1000番台を本配置（のちのK8編成）とし、代わりに余剰となった車両を転出させて返却扱いとしたためである。
残存車は、7両編成時代の旧K12・K13編成を中心に以下の車両を組み合わせ10両の新K6・K7編成を組成した。
モハ103-1207+モハ102-1205を抜き取った旧K11編成は、5両編成で新K9編成となり、同じく10両編成化で5両編成で残った301系と組成した。*のちに301系5両編成が廃車されたため、予備編成となった。
成田線大菅踏切事故で運転士が殉職したことから踏切事故などでの乗務員の保護のために前面を強化する工事が1995年3月末までに施工された。113系などは車両基地で施工し、施工直後は前面がステンレス地の車両も見られたが、本系列では検査入場の際に工場にて鋼板を取り付ける工事を施工した。1974年以降に製造された高運転台車は製造当初から前面が強化されているため改造対象外であった。1993年12月までの大宮工場にて施工車は尾灯上部の足掛けが外側に設置されている。インドネシアに譲渡された初期先頭車はこの形態。
201系・205系・209系・E231系などの投入・転用により撤退した。時期は定期運用離脱時で撤退後にイベント運転されたケースもある。
70両を承継したが、1965年（昭和40年）から翌1966年（昭和41年）にかけて製造された初期車両であったことから、一部の冷房車を含む20両は廃車し、残った50両には以下の改良工事を施工した。
承継車はスカイブルーであったが、後述のリフレッシュ工事施工車両は、同社のイメージカラーであるクリームにオレンジと緑の帯に塗り替えられた。新塗色の登場は1989年。当初は前面にJRマークがなく、帯に切れ目がなかった。
JR東日本のAU712形と同様に工期短縮と経費削減の観点から、C-AU711A形集約分散式2基搭載による改造工事が施工された。モハ102形には冷房電用SIVを搭載。青22号の塗色のままC-AU711A形を搭載した車両も存在した。側面方向幕の設置は未施工。
室内のアコモ関係に他の車両との格差が目立つようになったことから、特別保全工事に211系5000番台の水準をベースとした室内のリフレッシュ工事を併施した。内容を以下に示す。
これらのメニューは、車両により異なったことから、側扉・側窓・冷房などに差異が発生した。朝夕を中心に中央西線（名古屋 - 瑞浪間）で3両+7両の10両編成を組みラッシュ時輸送に投入されたほか、関西本線で3両編成が運用された。ダイヤ上のネックとなり、313系の導入に伴い1999年（平成11年）に定期運用から離脱、2001年（平成13年）までに廃車となった。
承継車両の多くが初期から中期型車であったことから、延命を図っている。また、JR化後に新たな用途が多数発生しており、それに合わせた改造も見られる。
羽衣線には1987年（昭和62年）にクモニ143形荷物電車改造のクモハ123-5・6が日根野電車区に投入されたが、同時にラッシュ時3両運転用増結車としてクハ103-194が用意され、1995年に阪神・淡路大震災後の応援車両として貸し出されるまでの間運用された。
1989年（平成元年）秋からはワンマン運転を行うことになり、クハ103-194・クモハ123形2両、および予備車としてクモハ103-77+モハ102-186+クハ103-545にワンマン運転対応改造が施工された。なお、クハ103-194および予備車3両は1990 - 91年にWAU102形による冷房化改造と延命N工事が施工された。
阪神大震災の後、クハ103-194はJR神戸線の応援編成に転用され、代替として大阪環状線で使用されたサハ103-758に朱色のままワンマン運転対応改造を施工し、クモハ123形2両で挟んだ3両編成で運用された。
阪神大震災後の応援運用を終えたクハ103-194は、事故廃車となったクハ103-839の補充として福知山線に転出し、塗装もカナリア色に変更されたが、前面行先表示機が手動であるなど異端な存在であったことから、1997年9月1日に、播但線用3500番台への運転台部品供出のために廃車された。
1995年（平成7年）クモハ123形2両はクモハ84形置き換えのため岡山電車区に転出し、交代でワンマン運転対応改造を施工したクモハ103-23+モハ102-105+クハ103-26が投入された。
2007年（平成19年）には2編成（クモハ103-2503+モハ102-396+クハ103-162・クモハ103-2504+モハ102-451+クハ103-192）にワンマン運転対応改造が施工され、1989年と1995年にワンマン化改造された2編成は廃車となった。
JR西日本の冷房改造は、当初は国鉄時代を踏襲したAU75形集中式冷房装置によって行われていたが、1988年（昭和63年）より改造に必要な費用の削減と早期の改造進展のため、WAU102形分散式を1両あたり3基搭載する方法に改められた。
冷房電源は1編成あたりクハ103形1両（大阪環状線用8両編成のみ両端のクハ103形2両）に冷房用静止形インバータ (SIV) 搭載で対応している。WAU102形は製造会社による形状の違いも認められており、東芝製と三菱電機製では外部ルーバー形状などに差異がある。性能には大差はないため、混載する車両も存在する。
WAU102形搭載車は同車エリアに広く配置されていたが、AU75形に比べて冷房能力が不足することから、優先的に廃車が進められた。2007年7月、日根野区に配置されていた羽衣線予備編成の廃車をもって近畿圏からは消滅し227系投入により最後まで残った広島圏の車両も廃車となった。廃車発生品のWAU102形や電源用SIVは105系の体質改善工事の際に一部が再利用された。
国鉄時代に関西本線（大和路線）では、列車増発を編成短縮と編成数増加させることからクハ101・100形改造のクハ103形2000・2050番台で対応した。この方針は民営化後も引き続き行われたが、不足する先頭車は余剰中間車の改造で対応することになり1988年に以下の2形式7両が改造された。
両区分共通の改造内容は次に示す。
2500番台が1両多いのは、羽衣線に転用されたクハ103-194のを補充する必要からである。
改造時は非冷房であったが、後にWAU102形による冷房化と延命N工事を施工。しかし種車の車齢が高く、冷房能力も劣ることから早期に廃車対象となり、2500番台は播但線用3500番台へ運転台部品供出で1997年4月8日に、2550番台は状態のよい余剰車に置換えられて2006年3月1日に全廃された。
1989年（平成元年）3月11日に片町線（学研都市線）が全線電化されたが、その際に開設された松井山手以西は7両編成での運転は可能であるが、以東の各駅はホーム長が短く入線不可であった。そのため松井山手駅で京橋寄りの4両を切離し、木津寄りの3両のみが入線するという運用で対応することになった。さらに翌1990年（平成2年）には木津駅乗入れ編成を4両編成とする組成変更が行われた。本区分番台は、1993年 - 1995年に207系の新製投入により、順次関連装備を撤去の上で他線に転用された。
なお広島運転所の48（←5001）は新製時からクモハ103である車両で最後の現存車両であった。ATS-P形搭載に付随して、ブレーキ弁の改修が施工された。電源投入方式がJR東日本と異なるため非常抜取対応のME48形は導入せず、従来からのME40形に電気接点部分改造施工で対応。その後117系などに採用されたME49系への交換が開始された。
イメージアップの一環として、201・203・205系と同様の、座席モケットが茶系統で3-1-3の区分入仕様に交換したが、その後、緑色などの試験を経て近年ではシーマンブルー（わずかに紫がかった青）1色に再交換されつつある。優先座席も青地にピクトグラムの入ったものに交換されている。福知山線脱線事故によりJR東日本から転入した8両のうち、広島運転所に投入されたクハ103形は2廃車までJR東日本仕様のままであった。
延命の一環として、腐食の原因を取り除く改造がされた。
201系などとともに、衝撃への耐久性を高める目的でスカート（排障器）が設置され、全先頭車に施工された。
国鉄時代の「特別保全工事」を発展させる形で、車両延命と接客設備改善のための工事が行われた。試験的なものをのぞくと、内容によって以下の4種に分かれる。
1996年（平成8年）以降、後継の207系との落差改善ならびに延命N40工事以上の徹底した延命を目的とした体質改善工事が施工された。工事施工車の車番標記は、国鉄時代の丸ゴシック体→JR西日本独特の書体（モリサワ・新ゴ）に変更された。
老朽車のイメージ払拭と保守性の向上のため以下の工事を施工。
本工事の施工1号となった8両編成1本は、以下の相違点がある。
後にこの編成はサハを除き日根野電車区へ転属したが、2013年（平成25年）3月に廃車となった。その後もサハは、日根野から転属して来た体質改善40N編成の中間に組み込まれて運用されていたが、323系投入に伴い、2017年（平成29年）1月に、廃車前提で吹田工場に回送された。これらの工事内容は、次第に冷房風道のラインフロー化→従来風道の再用やラインデリア→扇風機などの簡略化が進み、2002年からは後述の30N工事に移行した。
2002年以降新車投入ペースが速まり本系列の車齢も高まったことから、内容が製造後30年程度まで使える程度に縮小された。直接保守面・接客面への影響が少ない外装の改造は大幅に簡素化され、体質改善40Nに比べてドア・側窓・屋根樋などが原形のままとされた。1973年以降に製造された車両のうち、延命工事を含む上述5種類の更新未施工のクハ103形とMM'ユニットが施工対象とされた。2005年までに2両（モハ103-405+モハ102-561）を除く全車に施工された。
JR東日本の場合と異なり、本系列を使用する方針により、編成替えにより延命工事施工車や後期製造車で状態不良車を置き換えるという、本系列同士の置換えで対応した。しかし、延命期間を経過したことや方針の変更、そして前述の通り環境省から騒音防止のため103系の代替車両の導入推進の通達が出された事などで、2010年頃から廃車の進行が急速になってきている。その後、短編成化や新型車両（225系5000番台、323系）投入に伴う運用見直しなどで、サハやWAU102形冷房搭載車が廃車となったほか、比較的車齢の若いユニット窓車、さらには延命期間がまだ経過していない車齢35～37年程度の体質改善車についても廃車が進行しており、大阪府下を走る各路線では既に運用されていない。
2006年 - 2007年には、JR京都・神戸・宝塚線系統に321系が投入され、201系が大阪環状線や関西本線（大和路線）などに、205系が阪和線に転用されたため、本系列の転属と廃車が行われた。また、山陽本線等の岡山地区電化区間では、2010年3月のダイヤ改正で再び定期運用から離脱している。そして2011年3月のダイヤ改正では阪和線への225系5000番台投入と運用見直しにより、森ノ宮電車区から日根野電車区への転属と廃車が多く発生、両区とも配置車両が減少した。2015年3月のダイヤ改正では広島地区への227系導入により、下関・広島地区での運用が消滅した。2016年からは大阪環状線に323系が、阪和線に225系5100番台がそれぞれ投入されている。このため2017年（平成29年）10月に大阪環状線・桜島線からは引退し、2018年（平成30年）3月には阪和線からも引退した。両路線の103系は廃車または廃車待ちの保留車となっている。
筑肥線は筑前前原を境に断面輸送量が大きく異なることから、以西運用の短編成化を行うことになり、1989年（平成元年）に小倉工場で6両編成9本のうち4本に対して3両編成8本に分割する改造が施工された。改造内容の概略は、6両編成組成時の3両目となるモハ102形と4両目となるモハ103形にクハ103形1500番台相等の運転台を取付、それぞれクモハ102形・クモハ103形としたものである。そのため改造該当編成は2種類のパターンとなった。以下で改造の詳細・特徴について解説をする。
地下鉄に乗り入れる際はATC未搭載のクモハを先頭車とせずにATCを搭載したクハを先頭車とし、クモハ同士を向かい合わせで連結して6両編成を組んでいた。3両編成で運行される区間は筑前前原-西唐津間に限定された。
踏切事故対策として国鉄時代から先頭車にスカートを取付を施工開始し、全車完了した。
2000年3月11日ダイヤ改正から西唐津 - 筑前前原間で車内で運賃を収受しないワンマン運転を開始した。ワンマン運転に対応するための改造工事を1999年末から2000年3月にかけて小倉工場で実施した。施工内容は車外スピーカーの追設・ドア開閉時に駅ホーム設置のカメラ映像を確認可能な安全確認用液晶モニターを設置している。
2002年度下期より本系列としては初となるトイレの設置が行われ、全編成の唐津向き先頭車（クハ103形奇数番号車またはクモハ103形）の車端部の海側に身体障害者対応の大型洋式トイレが設置された。これに際し、トイレ設置部分の側窓・妻窓が埋め込まれ、車椅子スペースとした側窓を1/4程度に縮小された。この改造によりJR九州の電車編成でのトイレ設置率は100%を達成している。
福岡市地下鉄空港線内（姪浜駅を含む、以下同様）には2004年までにホームドアが設置されており、その動作には本来自動列車運転装置 (ATO) や電気指令式ブレーキによる定位置停止装置 (TASC) が必要とされる。しかし本番台にはこれらの機器は搭載されておらず、地下鉄区間に乗り入れる際は必ず車掌が乗務し、停止位置は運転士が目視で調整、ホームドアは車掌がホーム設備のスイッチで操作していた。
本来の製造目的であった地下鉄区間への乗り入れは、VVVFインバータ制御でATOを搭載する303系の導入・増備時に車両運用を見直したことから、305系運用開始前の2015年1月時点では1日18往復と減少した。
筑肥線筑前前原駅以西での3両編成でのワンマン運転（駅収受方式）は本番台のみが対応している。
E01 - E10編成は、6両編成の運用において、検査などで編成の一方が運用を離脱したときには、両方のまたは一方の編成をE11 - E18編成で補ったことがあった。後者の場合でも幌枠のある先頭車（クモハ）が中間車（モハ）と連結され、貫通幌は通常どおりに使用可能であった。
地下鉄乗り入れの末期には、主に夏季を中心に地下鉄線内でのトラブルが続発した。2011年7月1日、大濠公園駅到着時に主回路故障、き電停止が発生し、所定停止位置より約10m過ぎて停車、さらに煙が出ているとの通報があったため、乗客を地上部まで避難させる事態となった。原因は減流抵抗器内碍子に塵埃等が付着し、碍子の絶縁が低下したことで抵抗体の一部に電流が流れ、溶損に至ったというものであり、減流抵抗器内碍子の一斉点検を行い、不良の碍子を取り替えるなどの対策が講じられた。2012年7月29日には、唐人町駅で床下から火花と煙が出ているとの通報があり、運行を中止するトラブルが発生した。原因は、主制御器内にあるモーター電流を安全に遮断するためのタイミングを調整するタイマーリレーの不具合により、温度上昇で誤作動を起こし、モーター電流を完全に遮断する断流器にある減流抵抗器に過大な電流が流れて焦損したためであり、JR九州は全編成のタイマーリレーを交換するなどの対応を行ったが、同年9月には地下鉄線内で照明が消えて非常灯が点灯し、またしても運行を中止するトラブルが起こり、事態を重く見た福岡市交通局はJR九州に対して103系の早期更新を要請した。
2014年1月には、2014年度に筑肥線・福岡市地下鉄直通運転へ新型車両305系を6編成36両導入することがJR九州より発表された。同系は前述の通り2015年2月5日より順次営業運転を開始し、同年3月14日のダイヤ改正までに計画の6編成36両が出揃い、営業運転を開始している。これに伴い、2015年3月をもって本系列による福岡市営地下鉄空港線への乗り入れ運用は終了し、以後は筑前前原 - 西唐津間のみで運用となっている。
305系投入と前後して、E02編成・E01編成・E03+E04編成・E05+E06編成・E07+E08編成が順次小倉総合車両センターへ配給回送されており、E01・E02編成の6両は2014年度中に廃車となり、その他の6両編成もすべて保留車となっている。国鉄分割民営化以降、各地で廃車が進んだ103系であるが、アーバンネットワークエリアを中心とした関西圏では比較的多く活躍している。本稿では2000年代以降における関西圏主要路線の103系の動向について述べる。
吹田総合車両所森ノ宮支所所属の8両編成が大阪環状線・桜島線の普通に使用されていた。車両の車体色は朱色1号（ オレンジバーミリオン）。なお、USJ開業当初の桜島線向けシャトル列車には6両編成も存在した。
2005年-2007年の網干総合車両所からの201系転入により、一部を残して廃車され、他線区へ転出したほか、2007年には他線区から体質改善車が転入したが、2011年3月のダイヤ改正前後に日根野電車区へ転出した。このため4M4Tの8両編成は5編成に減少した。2014年6月1日から「OSAKA POWER LOOP」ラッピング編成が運行を開始した。また大和路線直通の区間快速としての運用も存在したが、2016年（平成28年）10月3日より奈良支所所属の221系に置き換えられて廃止されている。これとは別に、桜島線内折り返し列車に使用されていたUSJラッピング車両が森ノ宮支所への入出区のため、西九条駅 - 京橋駅でも営業運転していた。
車両の老朽化が進んだことや将来のホームドアの設置をスムーズに図る（扉数の統一）のため、2016年（平成28年）からは3ドアの323系に順次置き換えられており、2017年（平成29年）3月時点では2編成が残った。その後、「OSAKA POWER LOOP」編成は2017年（平成29年）9月7日に営業運転を終了、同年10月3日をもって約48年間に及ぶ大阪環状線での運行を終了した。また当編成の引退と同時にオレンジバーミリオンの103系動態車は消滅した。
なお引退後、先頭車のクハ103形843号車が京都鉄道博物館で11月3日から4日間限定で展示された。また「この編成がご覧いただけるのは最後の機会になる」とも発表された。当初は大和路線のウグイス色の103系も展示される予定であったが、輸送上の都合によりクハ103形802号車に変更された。
吹田総合車両所奈良支所所属の4両編成があり、奈良線を中心に運用されていた。車体色は黄緑6号（ ウグイス）で、制御車の前面窓下に白色警戒帯を配する。6両編成は201系の転入で本数が減少したが、おおさか東線の開業で6両編成の運用数が増えたため、数年間は置き換えに至らなかった。4両編成は2016年（平成28年）9月までは大和路線でも2本連結して8両編成として大阪環状線へ直通する区間快速でも使用された。
奈良支所所属の車両は電化時に投入された101系の置き換えのため、1983年から1985年にかけて導入された。日根野電車区（現：吹田総合車両所日根野支所）への入出庫との兼ね合いから編成の向きが（日根野区の阪和線用車両等と）逆になっている。これらは京阪神緩行線（JR京都・神戸線）への201系投入によって捻出された明石電車区（現：網干総合車両所明石支所）の車両や淀川電車区（当時）・森ノ宮支所などからの転入組で構成されており、長年に渡り関西圏や首都圏の各地から寄せ集められたため1編成の製造時期と形態が1両ごとに違う編成が多い。1986年11月1日国鉄ダイヤ改正で編成両数を短くしつつ日中の運転本数を増やす施策が取られたため、国鉄末期から1994年にかけては日根野電車区等から転入したクモハ103＋モハ102+クハ103の3両編成が投入され、単独運転またはラッシュ時には2編成を併結した6両編成で運転されていた。しかし乗客増に伴い1994年にJR京都・神戸線に207系が投入されたことにより捻出されたサハ103形を組み込んで4両編成化された。6両編成の一部は1988年にモハ103+モハ102を電装解除のうえ先頭車化改造したクハ103-2550・-2500を組み込み4両編成化され、単独運転またはラッシュ時に2編成を併結した8両編成（前述）で運転された。
4両編成は両端クハの編成とクモハを含む編成が混在することになったが、2007年にクモハ103-2505の4両編成が日根野電車区へ転出したのを最後に前者に統一された。
大阪環状線から撤退した吹田総合車両所森ノ宮支所の201系に置き換えられ、2018年1月24日をもって103系は大和路線（木津駅 - 奈良駅間を除く）、おおさか東線から撤退したが、同年10月28日より朝の一部の便において、奈良線所属の4両編成による奈良駅 - 王寺駅間での運転が復活している。また、奈良線についても、吹田総合車両所日根野支所の205系による一部置き換えが進められている。
吹田総合車両所日根野支所所属の4両・3両編成があり、阪和線（羽衣支線含む）で使用されていた。車体色は青22号（ スカイブルー）。過去には8両固定編成も存在し、主にラッシュ時の快速に充当されていた。2003年から2006年まで鳳駅 - 大阪環状線間で運転された区間快速には8両固定編成が充当された。また4両2本併結の8両編成は2011年3月12日のダイヤ改正で姿を消した。また日中も天王寺駅 - 鳳間の普通のみとなったため、本系列の運用が減少した。
2016年（平成28年）7月より225系5100番台が投入されたことを受けて同年12月には4両編成、2017年（平成29年）7月には6両編成、2018（平成30年）年3月16日には羽衣線用3両編成が223系・225系4両編成に置き換えられ姿を消した。。
103系をベースにしていくつかの車両試験がおこなわれた。
103系が量産を開始した直後から、電機子チョッパ制御の試験などが活発化し1970年（昭和45年）に阪神7000系が日本で最初のチョッパ制御営業車として運転を始めた。国鉄でも1967年（昭和42年）に101系を用いたチョッパ試験テストを行なったほか、103系を母体にして1969年（昭和44年）11月23日から12月1日までモハ103-59に取り付けて根岸線で試験を行なったほか、1974年（昭和49年）7月にもモハ103-57に取り付けて根岸線で試験を行なった。
JR東日本では1990年（平成2年）度から既存の抵抗制御車に対してのVVVF制御改造について研究を進めていたが1992年（平成4年）2月にJR東日本のクモハ103-87を東芝府中工場でVVVFインバータ装置と901系のモーター等の搭載改造をおこないJR大船工場で現車試験を行った。JR東海でも自社でクモハ103-4を改造してVVVF試験を行った。
JR東日本が開発中だったダイレクトドライブ・モーターをモハ103-502に搭載し、試験を行った。同期電動機駆動用制御装置としてIGBT素子によるVVVFインバータ化も同時施工されE993系との比較実験もされたが、実験の終了に伴い廃車された。同様の試験が鉄道総研内でも行われていたが、試験車両は解体された。ちなみにこの時の試験車両は武蔵野線で使用されていたクモハ103-104・モハ103-230である。
101系と同様に、103系では車両塗色にラインカラーが制定されて用いられ、JR発足後の現在でも使用されている。国鉄時代に定められた各路線の塗装は以下の5色と地下鉄乗入用車両の各専用色3色（それぞれの項で解説）の計8色であったが、現在では様々な地域色が発生している。なお、塗色の号数呼称は「国鉄車両関係色見本帳」に準拠し、その後の記号は修正マンセル記号である。また、JR設定色は公式な呼称が存在しないため最も一般的な呼称で紹介している。
なお、一部は各路線の塗装として定められた色以外の塗装の車両を組込んだ編成も存在した。この中には、誤乗防止のためにドア上などにステッカーを貼付したものも存在した。森ノ宮電車区の6両編成4本が、沿線にあるユニバーサル・スタジオ・ジャパン (USJ) のPR車両として、それぞれ違ったテーマのラッピングを施された。
各車両のデザイン名称とコンセプトは次の通り。網干総合所に所属する加古川線用の2両編成4本に横尾忠則がデザインした車両が、加古川線が電化された2004年12月19日から運用されていた。2011年5月15日から全般検査のため順次運用を終了し、2012年11月18日をもって運行を終了した。各編成の運転開始日・終了日・テーマは次の通り。4種類のラッピング以外にさらに2種類ラッピング案が存在していたが、経費不足とJR福知山線脱線事故を連想させる内容が含まれていたため、採用は見送られた。
生野銀山（朝来市）と飾磨港（姫路市）を結ぶ約49kmの馬車専用道路であった生野鉱山寮馬車道、通称「銀の馬車道」をPRするためにデザインされた車両で、網干総合車両所に所属する2両編成3本にラッピングが施されている。　デザインは地元のFM802が担当した。
2005年4月25日の福知山線脱線事故により被災した207系の廃車および帯色変更工事、117系の同線からの撤退などの事象が重なり、車両が不足した。そのためJR東日本武蔵野線で運用されていた8両編成1本が同年7月28日付でJR西日本に譲渡された。
同社に入籍後は、既存車と編成を組み替えられ以下の配置経歴を持つ。
車両不足解消後には戸袋窓閉塞工事が施工されたが、貫通扉は廃車まで窓の小さいものを装備し続けた。
2010年6月21日付でクハ103-821・828が廃車となった。また2011年3月にモハ103-686+モハ102-842が吹田工場へ、4月にはモハ103-684+モハ102-840+モハ103-685+モハ102-841も幡生工場へ廃車回送された。
2004年（平成16年）、JR東日本が保有していた下記の16両が、インドネシアの鉄道会社（PT Kereta Api）に有償譲渡された。
これらの譲渡車両は現地での長期使用を考慮し、後期製造車または車両更新工事施工車が選ばれた。その後は東急8000系・8500系を導入したため16両で終了となった。現地では前面下部にオレンジ色の大型スカート（排障器と前面窓に投石対策として金網が設置され、元都営6000形や東京メトロ（営団）の車両とともに日本のODA・政府開発援助により整備されたジャカルタ首都圏の通勤電車で、有料の急行 (Ekspres) ・準急（Semi Ekspres/2008年に種別廃止）・Ekonomi AC（2007年新設）用として運用される。
当初、塗装は武蔵野線時代のまま使用されたが、その後窓周りに黄色が塗られてツートンとなった。2008年秋頃には濃い青を基調とした新たな塗装に変更され、2011年にはJR東海色を基調した塗装に変更された。現地でもJR 103と呼ばれており、車番は日本での製造時から付番されていたものをステンシルで記入している。ただし、「クハ」「モハ」に相当する記号標記は無い。行先表示は前面窓内に方向板を掲出し、本来の行先表示器は使用しない。JR時代の行先表示幕や路線図がそのまま掲出されている。元JR205系の譲渡が増えたことや老朽化により2016年（平成28年）に運行終了した。
JR北海道では、電化区間が札幌近郊の交流電化区間のみで、かつ札幌都市圏における国鉄の輸送シェアも本州に比べ著しく低かったことや車両自体にも徹底した耐寒・耐雪構造が必要なことから、国鉄時代から1両も本系列が配置されたことはなかったが、1998年（平成10年）8月に103系8両が機関車牽引で入線した。
譲渡に関する情報は一般には全く公表されたことはなく、雑誌の投稿を含めても交友社『鉄道ファン』の1998年11月号 No.451のP.120に掲載された「103系が北海道へ」に津軽海峡線をED79形50番台に牽引された被験車8両編成の写真レポートが投稿されたのみである。
この103系は『鉄道ファン』同号掲載の写真から以下の状態が確認された。
この改造は東急車輛製造で施工された。
その後は苗穂工場内に留置された。工場内を移動することはあったが、関係者以外には一切非公開で、使用目的も明かされず、同年末までにすべて姿がなくなった。
収集されたデータの目的は公開されていないが、実験結果は英文にて公開されている。http://bunken.rtri.or.jp/PDF/cdroms1/0006/2003/20000603010108.PDF