国鉄105系電車
宇部線・小野田線では1981年3月より105系新製車の営業運転が開始され、旧型国電は小野田線本山支線のクモハ42形を除く全車が105系に置き換えられた。国鉄分割民営化前の車両基地統廃合により、宇部電車区の配置車は1986年3月3日付で下関運転所に転属した。
1991年度には下関運転所所属のクモハ105-24・27が偶数向きに方向転換され、クモハ同士を背中合わせにした2編成が組成された。この組成は2001年度まで続き、方向転換車は2両とも所定の奇数向きに復帰している。
下関運転所は複数回の組織変更により下関総合車両所運用検修センターとなった。同所には4扉車も長らくクモハのみが増結用として2両在籍していたが、広島支所で余剰になった3扉車に置き換えられ、2016年6月16日付で廃車された。3扉車は2022年3月現在も宇部線・小野田線系統で運用されている。
仙石線用の105系4両は、国鉄最終日の1987年3月31日に郡山工場で落成した。1987年4月5日より運用を開始し、6月1日からは石巻駅 - 矢本駅間で2両編成での運転が開始された。1990年(平成2年)に103系と同じスカイブルーに塗り替えられた。当初はスカイブルー1色であったが、103系との識別のため、後に前面に2本の白帯が追加され、600番台は前面補強が行われた。
民営化時には仙石線用を除く121両が承継された。上記の事故で1両が廃車となったものの、代替車が用意されたので、2005年(平成17年)10月に103系改造車の老朽廃車が発生(後述)するまでは121両のまま推移していた。なお、103系1000番台からの改造車(4扉車)は、種車の製造から45年経過して老朽化が顕著なことから、2015年から運用を開始した227系の増備により順次淘汰が始まっている。
2022年4月1日時点では36両が以下の2区所に配置されている。
岡山電車区(14両) - 福塩線(福山駅 - 府中駅間)・山陽本線(岡山駅 - 福山駅間)で運用
下関総合車両所運用検修センター(22両) - 宇部線・小野田線・山陽本線(新山口駅 - 下関駅間)で運用