国鉄4110形蒸気機関車
4100形は動輪の間に幅の狭い火室を設けた設計であった。これは欧州で作られた蒸気機関車の設計としては標準的なものであったが、軌間が狭く、石炭の質がやや低い日本では火力の面で若干の制約が存在し、また火床部の奥行きが2.7 mに達したことで、投炭作業にも多大な労力を要した。
動輪が大きい旅客用機関車の場合であれば、従輪の上に火室を設ける手法がとられるが、貨物用機関車や急勾配用機関車は動輪がさほど大きくないため、ボイラー中心高を上げて動輪上に火室を設ける「広火室」設計を採り得る。これは同時期に開発された貨物用の9600形蒸気機関車で採用された形態で、本形式も同様の手法を採用した。
これにより火床の奥行きを約1.8 mに短縮しつつ火床面積を広げることが可能になったが、ボイラー中心高を上げることは、車両の重心を上げることにもつながる。同様の設計を行った9600形では高速運転時の安定の悪さが問題になったが、タンク式である本形式では、従来ボイラー脇に設けていた水槽の一部をボイラー下部に設けることで重心の上昇を防止した。なお、台枠については本形式製造当時の日本の製鋼技術では材料となる100 mm厚圧延鋼板の製造が困難であったため、本形式では板台枠を使用している。
火室を広げ蒸発能力を向上した効果により、本形式は4100形を上回る出力を発揮した。シリンダー出力は15.4 tfと4100形と同じであるが、動輪周上出力は890馬力で、これは同時期に製作された9600形蒸気機関車を上回る。
4100形と同様、第1動輪と第5動輪に横動を許容するゲルスドルフ式構造であった。また、第3動輪はフランジレスである。
機関車空車重量は52.22 t、軸重は13.38 t(第3動輪上)である。
奥羽本線も羽越本線、上越線、陸羽東線・西線、横黒線(現・北上線)と板谷峠を迂回する形で山形・秋田両県と関東を結ぶ路線が開通したことから重要度が低下し、本形式が配置されていた庭坂機関区・米沢機関区 でも先に休車となっていた4100形に続く形で一部が休車となった。
その後、1930年代以降は老朽化が目立つようになったが、代替機関車への置き換えは戦後にまでずれ込んだ。1933年(昭和8年)6月末時点で、肥薩線用は人吉の4110 - 4115、4134 - 4137の10両が使用中で、前述の3両が第2種休車。奥羽線用には庭坂の4126・4128・4140 - 4146および米沢の4119・4122・4124の13両が使用中で、庭坂は4125・4127・4130 - 4133、米沢は4116 - 4118・4120・4121・4123が休車とされ、第2種休車は4116・4118・4120・4121・4127の5両であった。
1934年(昭和9年)には米沢配属車を庭坂に再統合、1936年(昭和11年)5月には、休車中であった4116・4118・4120・4121・4127・4138・4139・4147・4148の9両が廃車となり、1938年(昭和13年)9月には4125・4130・4131・4133の4両が廃車となった。この際、6両は次節のとおり民間に払下げられ、残りは解体された。