国鉄キハ20系気動車
雄別鉄道キハ100形104・105は1962年に新潟鐵工所で製造された。キハ21形の側窓配置のままキハ22形と同様の一段上昇窓となり、トイレも設置された。台車もDT22・TR51相当のNP1A・NP2Aとなった。国鉄キハ22形に先行して蛍光灯が設置され、前照灯もシールドビームが採用された。
キハ100形106はキハ100形の増備車にして、雄別では最初で最後の片運転台車。廃止前年の1969年に新潟鐵工所で製造された。竣工図では両運転台で描かれたが実際には片運転台で落成しており、非運転台側は車掌室と郵便物収納室になっていたとされる。
1970年の路線廃止後は関東鉄道に譲渡されキハ810形811・812となり、キハ49200Y形同様筑波線に配属された。筑波鉄道に分社後、812は1986年に廃車、811は廃線まで活躍した。106はキハ813形813となったが、片運転台のため常総線に配属され、1989年に廃車となった。
キハ20形8両、キハ52形13両が承継された。
キハ20形は加古川線・鍛冶屋線用として姫路運転区に配置されたものと、芸備線用として広島運転所に配置されたものが承継された。加古川・鍛冶屋線用の車両は1989年までに全廃された。芸備線ではキハ20形が最後まで残ったが、1993年までに全廃された。
キハ52形は高山本線(富山 - 猪谷)用として富山運転所に配置されたもの、越美北線用として敦賀運転所に配置されたもの、山陰本線・木次線用として米子運転所に配置されたものが承継された。山陰本線・木次線用キハ52 128は首都圏色に変更されることなく国鉄一般色のままJRに承継され、1999年に廃車となるまで国鉄一般色のままであった。
最後には大糸線非電化区間(糸魚川 - 南小谷)用として越美北線から転じたキハ52形3両が残ったが、車両の老朽化を理由に、2010年(平成22年)3月13日のダイヤ改正でキハ120形に置き換えられた。
キハ21形を改造して郵便荷物合造車としたもので、1969年に2両が旭川工場で改造された。キハ20系の中で唯一形式変更を伴う改造が行われた車両でもある。
極力、種車の車体構造を生かすような改造がなされており、車体中央部の排気管立ち上げ部付近に仕切りを設け、前位側(1・2位、車体中央から見て便所と反対側)に郵便室、後位側(3・4位、同便所側)に荷物室を設けた。便所はキハ21形時代からのものをそのまま再用した。郵便室には郵袋室と区分室が設けられ、区分室部分にあった4枚の一段上昇式の窓は埋められた。荷扱い扉は旧客用扉をそのまま利用している。荷物室部分には、便所付近(ボックスシート3組分)のスペースに荷扱い車掌室と貴重品箱が設けられ、客用扉と窓6枚(戸袋窓2枚、一段上昇式窓4枚)を埋めた上、新たに1,800ミリ幅の両開き式の荷扱い扉が設けられた。荷扱い扉の材質は各車で異なり、1は鉄製、2は木製のものが使われていた。
当初は遠軽機関区に配置されたが、後に深川機関区に転属となった。1は深川機関区配置のまま1984年3月10日付で、2は旭川機関区配置を最後に1986年3月31日付で廃車となっている。
キハ21 26・35→キユニ21 1・2
残ったのは203・204・205・208の4両で、平日ラッシュ時に運用された。
2002年9月のJR西日本赤穂線開業40周年を記念したイベントにより、キハ203が国鉄一般色に塗装変更されてJR西日本に貸し出され、赤穂線岡山 - 播州赤穂間でJR西日本のキハ58系と併結して運転された。2003年には205も国鉄一般色に塗装変更され、イベント時などに活用された。
JR東日本より譲渡されたキハ30・37・38形が運用を開始した2014年には、キハ203・204・208が廃車となった。205はその後もイベント用に残存したが、2017年に廃車となり、イベント時以外は保管されていた。
2021年8月には「国鉄水島計画」と題し、クラウドファンディングによる調達資金でのキハ205の修復、ならびにキハ37・38形の登場時塗装への復元が計画された。支援金は7日間で目標額の1300万円に達し、最終的には約2300万円が集まった。2022年にキハ205の動態復元整備が完成し、先行して登場時の塗装に復元されたキハ37 103・キハ38 104とともに同年3月30日に倉敷貨物ターミナル駅で報道公開された。
運転保安度向上のため、1972年度より前照灯を白熱灯からシールドビームに変更する工事が開始され、優等列車用に続いてキハ20系など普通列車用車両も対象となった。
キハ20系のシールドビーム化改造車は2灯タイプが多いが1灯タイプもあり、2灯タイプではビートの有無、灯具の色に銀色・車体色のバリエーションが存在した。北海道のキハ22では2灯シールドビームに庇を付けたものも多数存在した。また、キハ22 16のように縁付1灯シールドビームを2灯並べたタイプも数両存在した。
1957年の初期車登場時の仕様を基に解説する。
本系列の中には他社に払い下げられたり貸し出されたりした車両があるほか、同仕様で製造した同型・類似車両が多数存在している。
キハ20系の同型車は雄別鉄道など炭鉱系の鉄道で投入されていたほか、島原鉄道や小湊鉄道は国鉄線への乗り入れや国鉄車との併結を考慮して同型車を導入した。1980年代以降は国鉄キハ20系に余剰車が発生するようになり、第三セクターとして開業した鹿島臨海鉄道では新造車の不足分をキハ20形の譲受で補ったほか、秋田内陸縦貫鉄道と阿武隈急行では本格開業までの一時期に国鉄・JRのキハ22形を借り受けていた。水島臨海鉄道や島原鉄道でも旧型車置き換えのためにキハ20形を多数譲受している。
2020年現在はいすみ鉄道とひたちなか海浜鉄道のみ稼働車が存在する。
磐越西線から分岐する只見線、会津線系統では、普通列車のほかキハ52形単行による急行列車の運用(遜色急行)も1965年から1982年にかけて存在した。只見線全通前は会津若松から只見方面・会津滝ノ原方面ともに会津線の路線名で、C11形牽引の客車列車や混合列車が運転されていたが、気動車化による客貨分離や急行列車の直通が望まれていた。
1965年10月1日改正より喜多方 - 仙台間準急「あいづ」に会津線直通の付属編成が設定され、会津田島直通、会津川口直通ともキハ20系1両編成が使用された。「あいづ」は郡山 - 仙台間で水戸 - 仙台間(磐越東線経由)準急「いわき」とも併結し、水戸・喜多方・会津田島・会津川口の4方面へ向かう多層建て列車となった。同年10月にはキハ52形100番台の126 - 128が、1973年にはキハ52 143が投入され、会津・只見線単行急行の実質専用車として運用された。
1966年3月の急行格上げ後、1968年10月1日改正での電車特急「あいづ」運行開始により急行は「いなわしろ」に改称された。同時に会津川口 - 福島間の季節列車1往復が増発され、会津若松から福島方面は急行「あがの」と併結した。この季節列車にはキハ52形のほかキハ22形、キハ23形も使用された。定期列車は1969年に只見まで延長されたが、会津川口 - 只見間は冬季運休とされた。1971年8月29日の只見 - 大白川間開通で会津若松 - 小出間の只見線が全通している。
各地に保存車が存在する。本系列は大量淘汰の時期が特定地方交通線の転換と重なっており、廃止もしくは第3セクター化された特定地方交通線で使用されていた車両が保存されているケースも多い。