国鉄EF81形電気機関車
「北斗星」「カシオペア」の運用がなくなった田端運転所のEF81形は全車共通で貨物列車牽引に使用されていたが、2010年12月に入るとEF510形の定期貨物列車への充当が順次開始され、12月4日のダイヤ改正時にはEF81形からEF510形への置換えが完了。田端運転所のEF81形は定期列車の運用からは撤退することとなった。EF510形の導入数と同じく15両のEF81形の廃車が計画されたが、実際には2011年度から2012年度にかけて16両のEF81形が廃車となった。
1988年(昭和63年)3月 - 青函トンネル開通とともに寝台特急「北斗星」が運転を開始し、その上野 - 青森間の牽引機として充当された。東北本線(上野口)において、優等旅客列車の牽引に本形式が定期運用された初の事例 である。「北斗星」の運転開始に伴い「ゆうづる」は客車列車での運用が終了している。また、盛岡 - 青森間では、50系客車や12系客車(2000番台)の普通客車列車を間合い運用で運行した。
1993年(平成5年) - 寝台特急「あけぼの」の上野 - 小牛田間の牽引機に充当される。同列車は1997年(平成9年)に上越線・羽越線経由に変更され、上野 - 青森間の牽引に本形式を使用した。
1994年(平成6年)12月 - 寝台特急「はくつる」が583系電車から客車化され、全区間(上野 - 青森間)の牽引機として2002年(平成14年)12月の同列車廃止まで充当された。
2009年(平成21年)3月14日 - ダイヤ改正により寝台特急「あけぼの」の一部区間(上野 - 長岡間)運用を長岡車両センター配置のEF64形に置き換え、本形式での牽引区間を長岡以北に短縮する。
本形式の初期車は車齢35年を経過し、JR貨物所有の本形式に対して継続使用のための更新工事が順次行われている。施工は金沢総合車両所、鷹取工場、小倉車両所である。
内部機器の再整備・交換を行うほか、主電動機を車軸に装架する軸受をコロ軸受に取替えた車両もある。これら更新工事を実施した車両は、車体下部全周または側面中央に白線を表示する。300番台では全機に更新工事が施工され、白帯表示 (EF81 301) ・エンド表記周囲の白枠塗装(EF81 302・303)・正面の青帯 (EF81 304) が表示された。304の青帯は後年に撤去されている。
更新工事の施工車は次のとおりである。
EF81 1・2・8・10・19 - 23・25 - 28・32 - 36・38・39・115 - 126・129・135・301 - 304・401 - 408