国鉄キハ80系気動車
基本構造は、既に大きな成功を収めていた151系電車を全面的に踏襲することになった。全車両に冷暖房を搭載する空調完備の状態を前提に客室窓は複層ガラスによる固定式としたが、キロ80形では後位側、キハ80形では前位側1区画に非常口を設置した。また、乗り心地改善のため車体間ロールダンパも採用した。
冷暖房や食堂車調理室は全て電気式となった。食堂車の調理用熱源は石炭レンジに代わり、強力な電熱コンロを搭載する。151系電車で実績のあるAU12形分散式冷房装置を屋根上搭載とし、座席下配置の電気暖房を採用。いずれもディーゼル発電機を電源とするもので、客室内に限っては電車と区別が付かない仕上がりとなった。ただしコストダウン目的から、食堂車を除きカーテンは151系電車で採用された横引き式ではなく巻き上げ式とし、1等車通路の絨毯も省略されるなど、若干グレードは落とされた。151系電車同様天井内張りに吸音効果を期待して多孔板(パンチングボード)を採用したほか、エンジンからの排気管立ち上がり部は一部車両を除き車端隅部に移設し、客室内から分離した。
座席は全て2人掛けの回転クロスシートで、1等車(現・グリーン車)用はリクライニング機構、フットレスト、肘掛け収納式の折りたたみテーブル付き、2等車(現・普通車)用はメッキの縁取りがある背面収納式の小型テーブルを備える。表皮は特急形電車同様、1等車がえんじ色、2等車がロイヤルブルーであるものの、2等車用は全面モケット張りの電車用とは異なり、コストカットの見地から背面はクリーム色のデコラ仕上げとした。
東北本線経由
車両落成を待って1962年4月27日から当初は毎日運転の臨時列車扱いで運転開始。運転区間は上野 - 黒磯間が直流、黒磯 - 仙台間が交流電化されていたが、交直流両用特急電車は開発途上でさらには東海道新幹線開業による余剰となる151系電車に交直流化改造を施工する計画も存在したため本系列での充当となった。 上野1630(1003D ひばり)2123仙台0730(1004D ひばり)1225上野 1963年12月5日にダイヤはそのままで列車番号を3D・4Dへ変更し定期列車化。1964年10月1日ダイヤ改正で列車番号を「やまばと」に譲り7D・8Dへ変更。1965年10月1日ダイヤ改正で483系電車化され仙台運転所へ運用移管。
札幌0803(8041D フラノエクスプレス)1006富良野1647(8042D フラノエクスプレス)1844札幌
分割民営化後の1987年5月27日付で走行用機関を2基搭載し、ソファーを配置したラウンジを設置するキハ80 501が落成。以後は4両編成とされたが、同年6月1日から10月31日まではタイアップ先を全日本空輸に変更し、ANAビッグスニーカートレインとして運転された。
正面愛称表示をANAに変更し、白色塗装にかかる帯色も全日空機と同様にトリトンブルーとよばれる青系濃淡2色とされた。
また同年には本系列としては2度目となる第30回ブルーリボン賞を受賞した。
1988年3月には苗穂運転所へ転属。さらに1990年1月からは需要増に対応してキハ184-11へ制御回路仕様変更ならびに幌高さや外板塗色を同編成に合わせる改造を施工し増結。5両編成で運用されたが、同年中に増結運用を終了し一般仕様に復元された。以後は4両編成で運用されたが、1998年11月1日に運行された「ラストラン・フラノ」をもって運用を終了。2004年9月27日付で廃車となった。
当初キハ60系を試験車として開発を進めていた400 PS級となるDMF31HSエンジンの搭載を想定していたが、DW1形変速1段・直結2段液体式変速機共々試験結果は思わしくなく、不具合の問題解決を行う時間的余裕がなかったこともあり搭載を断念した。
代替案としてキハ55系などで実績のある定格出力180 PS級のDMH17系エンジンを2基搭載して必要な出力を確保する従来からの手法を採用した。客室内の防音・防振を重視して浮床構造を採用したことから、客室床面の点検蓋を廃止せざるを得ず、DMH17Cまで採用されていた垂直シリンダー式をやめ、床下側面から整備できるように水平シリンダー形へ設計変更したDMH17Hを搭載した。過給機の取り付けについては見送られた。また機関ブレーキは未装備である。
走行用エンジンを2基搭載するのは中間車のキロ80形・キハ80形のみである。先頭車のキハ81形はボンネット内に電源用エンジンを搭載するため走行用エンジンは1基、食堂車のキサシ80形は厨房用水タンクと電源用エンジンを搭載するため無動力の付随車となった。
変速機も従来からの標準型である液体式のTC2AもしくはDF115Aを搭載するが、最高速度を向上させる目的から逆転機内の最終減速歯車比を一般形の2.976から2.613に変更し、最高速度は100 km/hとなった。変速機油は、従来は軽油を用いていたが、本形式では作動油を変速機内部の潤滑系の油と共用することとし、シール機構の簡略化を図った。
台車は新規開発されたDT27(動力台車)・TR67(付随台車)が搭載された。
1975年3月10日ダイヤ改正で「くろしお」は当初の1往復から定期5往復・土曜/日曜1往復・臨時1.5往復まで増発されたが、1976年2月20日付でキシ80 17が廃車。同年秋に「おき」充当車をキハ181系に置換えて余剰となった向日町から10両が転入、引換にキハ81 1・2・4・6 キハ80 11・12 キロ80 3・4・23の9両が休車となり、名古屋発着列車基本編成ではキハ81形をキハ82形へ差し替え。休車の一部は天理駅構内での留置を経て1977年12月23日付で廃車された。
1978年1月からは減車を含む以下の編成組成変更を実施。
同年10月2日ダイヤ改正では紀勢本線新宮電化により運転系統を同駅で分断し、「くろしお」は381系電車化され、同区の本系列は定期運用を終了。名古屋・向日町・鹿児島へ転出した車両を除いた62両が翌1979年10月までに廃車となった。
しかし、上述5列車の定期運用は1986年11月1日ダイヤ改正ですべて終了。残存車両のうち4両が名古屋機関区へ転出、キハ82形6両とキハ80形6両は座席をキハ183系500番台同様のリクライニングシートに交換するなどのアコモデーション改善工事を施工。また3両が12月に「フラノエクスプレス」へ改造落成し、当所所属のまま運用に充当された。分割民営化時後に「フラノエクスプレス」とアコモ施工車が臨時「北斗」に充当されたが、1987年5月に1両が「フラノエクスプレス」へ、12月に3両が「トマムサホロエクスプレス」へ改造施工。1988年3月に全車苗穂運転所へ転出となり、本系列配置基地としての幕を閉じた。
基幹形式となる走行用エンジンを2基搭載する中間2等車で定員72人。 キハ81形とキハ82形で形状をまったく異にした先頭車と異なり、以後の増備車でも形状にほとんど変化がなく、取扱もその後の改修でほぼ同一とされた。このため「はつかり」用として製造されたグループでは最も長く営業運転で運用され、10は1983年に廃車されるまで1960年の新造以降23年間車籍を有した。