国鉄EF62形電気機関車
碓氷峠区間を管轄する国鉄高崎鉄道管理局(現在:JR東日本高崎支社)は、1956年(昭和31年)にレポート「碓氷白書」を作成した。この白書では碓氷峠区間が輸送のボトルネックとなっており、アプト式鉄道の施設旧式化・老朽化も著しい実態が指摘され、アプト式の解消や複線化などの抜本的対策が早急に必要であることが訴えられた。
国鉄本社はこれに対応し、翌1957年(昭和32年)から同区間の改良策検討に取りかかり以下の2案の比較検討を行った。
急勾配の現在線に並行した「腹付け線増」で複線化
緩勾配(25 ‰)の迂回線建設
結果は費用や工事期間の制約から前者の現在線案が選択され、アプト式を廃止して通常レールの摩擦力のみによって走行する「粘着運転」化の上で牽引機関車を前後の区間から直通させる方針を計画した。
このため碓氷峠区間を除いて非電化だった信越本線は、1962年に高崎 - 横川間、続いて1963年には軽井沢 - 長野間の電化が行われた。碓氷峠の電化方式も第三軌条方式600 Vから、他で広く採用している架空電車線方式1500 Vに変更することになり、直通の条件は整えられた。
粘着運転化にあたり特殊装備を多数搭載したEF63が開発されたが、同形式はあくまでも碓氷峠区間専用の補助機関車で、牽引力・ブレーキ力に重点を置いた特殊形式であり、信越本線の前後区間を直通できる本務機関車として開発されたのが本形式である。碓氷峠区間ではEF63の補助を受けて通過することを前提とした上で、降坂時には協調運転を可能な構造とした。