国鉄EF81形電気機関車
このため北陸本線糸魚川駅 - 直江津駅間直流電化開業に備えた機関車は、今後の湖西線開業や奥羽・羽越本線電化に伴う運用を考慮することとなり、国鉄では1967年(昭和42年)から具体的な計画に着手し、以下の5種が検討された。
検討では北陸本線用としてはチョッパ制御を用いることで交流専用機のED75形とほぼ同等の粘着走行性能となる案1が好適、としたものの、チョッパ制御は当時より1969年(昭和44年)10月を見込んでいた北陸本線の電化開業までには検討期間が不足であった。
一方で抵抗制御の案2は直流機並みの性能となってしまい、接続点に限った折り返し運用とするか重量級列車について重連運用とする必要が生じることから、不経済であった。また案3については上記のチョッパ制御を用いることの検討期間不足に加え、最急勾配が10 ‰程度の日本海縦貫線では過大な性能となり、高価となった。
残る案としては1962年(昭和37年)から常磐線向け既存交直流電気機関車形式であるEF80形をベースとする案4と直流区間の主力機であるEF65形をベースとする案5の2案が検討された。しかし前者については北陸トンネルを含む通し運用を考慮すると粘着性能を改善する必要があったうえ電動機の容量が限界に近く、加えてEF80形が持つ機械関係・補機方式の検討・改善、耐寒耐雪装備の付加が必要であり、それにも重量計画の面から制約があった。
このため、本形式の開発はEF65形を基本とした案5で進められることとなり、1968年に量産先行機が日立製作所で完成した。
2022年(令和4年)4月1日現在(JR貨物は2022年(令和4年)3月12日現在)。
JR貨物 門司機関区 EF81 303・403・404・406・451 - 455・501 - 503・716・717
JR東日本 尾久車両センター EF81 80・81・95・98・139 EF81 139は、2017年3月4日付の秋田総合車両センター南秋田センター(転属時は秋田車両センター)からの転属に伴う所属。 長岡車両センター EF81 97・134・140・141 秋田総合車両センター南秋田センター EF81 136 2016年2月2日付で青森車両センター(現・盛岡車両センター青森派出所)からの転属に伴う所属。
JR西日本 敦賀地域鉄道部 EF81 44・113・114
常磐線経由上野 - 青森間寝台特急増発用および日本海縦貫線用を名目として、昭和48年度第3次民有でEF81 94 - 100が製造された。EF81 94は田端機関区に、EF81 95 - 97は富山第二機関区に、EF81 98 - 100は酒田機関区に配置された。
加えて、湖西線山科 - 近江塩津先行手配車を名目として、昭和48年度第1次債務でEF81 101 - 105が製造された。全機が敦賀第二機関区に配置された。
運転台の暖房・扇風機に改良が加えられ、乗務員の環境改善が図られた。