国鉄205系電車
前述した通り201系と203系で採用した電機子チョッパ制御では高コストとなることから、本系列では国鉄末期の財政難の状況でも大量投入が行えるように比較的簡単な機器構成で省エネルギー効果が得られる界磁添加励磁制御を国鉄で初めて採用した。なお、原設計を担当したのは東洋電機製造である。(励磁装置の中央に「TDK」表記が有る)
界磁添加励磁方式は、機構的には古くからの抵抗制御の延長上にあり、力行の制御は基本、モーターの定格速度(全界磁を行なった場合の速度)までは界磁添加励磁制御による弱め界磁制御が使えないため電動カム軸式抵抗制御を用いて加速し、だいたい20 - 30km/hにあたる定格速度を超えると界磁添加励磁制御による弱め界磁制御を使った無段階変速に切り替える。始動時に抵抗制御と同様電動カム軸式抵抗制御器を用いる在来手法によるが私鉄で普及していた界磁チョッパ制御と同様、電気ブレーキに回生ブレーキが使える上、加速時の損失発生も低速までに抑えられる利点があり、軽量な車体と相まって、結果的に201系より優れた省エネ車両となった。特に制御回路は電機子チョッパ制御とは異なり、高価な半導体素子を使用することなく、従来の車両で広く普及している部品を使用するため機器のコストは大幅に抑えられている。加えて、界磁チョッパ方式の場合は直流主電動機をコスト高な複巻式にするところ、界磁添加励磁方式はシンプルで一般的な直巻式主電動機を使用でき、当時の国鉄にとって最適な方式であった。
京浜東北線・根岸線では1989年秋に4本が、翌1990年秋に2本が投入されている。このうち、前者4本は京葉線、武蔵野線に転用した103系の代替と後者2本は老朽車置換用である。103系とともに水色(■青24号)の帯をまとって1989年10月26日より最大6本が運用されていたが、埼京線延伸用に使用することから本系列で最も早く1996年2月1日をもって撤退している。編成は10両編成(TcMM'TMM'TMM'Tc')、配置は浦和電車区であった。
209系投入に伴い1993年4月ダイヤ改正時に3本が横浜線と中央・総武緩行線へ転属、その後1996年3月ダイヤ改正に合わせて3本が埼京線へ転属した。本系列を投入した路線で一番早い1996年春までに撤退した。なお、2001年以降の大転配とは直接関係がない。最後まで残ったウラ91編成(ウラ4→ウラ81編成からの改番。Tc107ほか10連・後のハエ28編成)は特製ヘッドマークを掲出してのさよなら運転を行った。この編成は1991年度のウラ4編成時代に、山手線用車両のサハ204形連結対応改造工事による編成不足を補うため、山手電車区に貸し出されて暫定ヤテ35編成として運用されていた時期があった。
1426Sとして運用中に野蒜駅付近で被災し脱線。翌日付けで廃車となり、現地で解体された。
編成を解体して転属させるのではなく、先頭車の種類を統一させるため、複数の編成でそれぞれ先頭車を入れ替え、不足する電動車を補うためにVVVFインバータ制御化改造を施し(武蔵野線のみ)、同線以外の本系列(埼京線のサハ205形など)も合わせて転属させるなど、首都圏各線区の状況に合わせて他線区へ配置するという柔軟な転配属を行っている。また、電動発電機(MG)を搭載していないモハ204形は転属(その際に先頭車改造したクモハ204形も含む)に際して静止形インバータ (SIV) を設置した車両もある。なお、これらの車両は南武支線、鶴見線(この2線はクモハ204形)、仙石線(全編成)、武蔵野線(一部編成)で運用している。原形先頭車と改造先頭車が混結される編成は存在していない。
当初予定していた千葉地区への配置は、計画変更により配置が見送られた。そのため、当初用意された分は武蔵野線車両の増備や各線の輸送改善用に使用され、多くの路線で増発が可能になった。
2014年2月15日に横浜線内の長津田駅付近で大雪で切断された架線がH20編成の6号車山側(モハ204-219)の車体に接触し、アーク跡が車体に残った。事故当日は車体を損傷したまま営業運転を継続したが、翌2月16日からE233系6000番台の営業運転が開始されたため、修理せずに運用を離脱し、同年4月4日付で編成ごと廃車。該当車両は事故前の同年1月にも営業運転中に補助電源装置が故障し運転を打ち切ったこともあった。
1991年3月16日の相模線の全線電化開業にともない新製投入された。従来の車両とは変更点が多いことから500番台に区分されている。2M2T (Tc M M' Tc') の4両編成を組む。
このグループは相模線専用となるため、同線の新しいイメージとして前面デザインが大きく変更されたほか、前照灯と尾灯形状は角型コンビネーション化した。また、相模線は踏切が多いため踏切事故対策として本系列の新製車では初めてスカートが設置されている。
車体のカラー帯はブルーグリーンとライトブルーの2色であり、本系列では唯一、幕板部(側窓上部)の帯が省略され、腰板部(側窓下部)のみに貼り付けされている。また、側面のJRマークは黒色からコーポレートカラーでもある緑色表記に変更した。
車内は本系列で初めて内装カラーリングが変更され、暖色系から清涼感のあるブルー系色とすることで沿線を流れる「相模川」をイメージするものとした。化粧板・床敷物・カーテン等は柄を変更し、座席モケットはブルーグリーン色を採用した。室内保温の観点から半自動ドア回路を追加し、そのため運転室に設置されている車掌スイッチには鍵の操作で自動・半自動を切替えるセレクターが設置され、客用ドア付近にはドア開閉スイッチを設置している。
導入前に本系列の山手線走行シミュレーションを実施した結果、性能向上と車体軽量化により201系よりも電力消費量は少なく、同線で使用されていた103系よりも大幅に電力消費量が減少することが確認されている。本系列で採用したCS57形電動カム軸式主制御器には加減速の頻度が大きい場合に有用なノッチ戻し機構も搭載されている。この力行時に用いられる抵抗制御回路の段数は直列13段・並列11段である。その後、実車に搭載した積算電力量から、本系列の電力消費量は103系よりも約31%節約されているほか、当時の電力代金に当てはめれば103系1編成に対して本系列1編成では1年間で約2,000万円の電力代金が節約されることになる。
本系列での界磁制御を行うため、CS57形主制御器に付随してHS52形励磁装置が搭載されている(ただし、JR東日本化後の増備車は後述するHS52A形に変更)。この励磁装置は弱め界磁制御と回生ブレーキ使用の際に界磁制御を行うもので、装置はサイリスタ (1,600 V - 800 A) とダイオード (1,600 V - 250 A) を組み合わせた三相混合ブリッジスタックとバイパスダイオードスタック (1,600 V - 800 A)、さらに励磁用変圧器やマイコン制御ボードなどの無接点制御装置から構成されるものである。電動機の制御には電動発電機 (MG) からの三相交流440Vを基に三相混合ブリッジを用いて全波整流(HS52形)/半波整流(HS52A形)を行い、主電動機の制御を行う。
M車に搭載された主制御器1基で2両8基分の主電動機を制御する1C8M方式で、M車 - M'車間には高圧用KE6形ジャンパ連結器が備えられている。
JR東日本では、2007年度から2010年度に首都圏各線での列車無線のデジタル化を実施した。これは従来の列車無線装置が更新時期を迎えていることに加え、運行障害による無線の使用頻度が高く増強が必要なこと、列車支援運行業務の充実を図ることを目的として実施されているものである。本系列においても搭載工事が実施されており、施工済み車には運転室に簡易モニタ画面とICカードのリーダ・ライタ、運転台後部の窓の上に無線親機と電源装置、そのそばの荷棚に簡易モニター装置のコンピュータの設置などが見られる。