401系・４２１系
国鉄は１９５５年、当時世界的に研究が進んでいた交流方式による電化を仙山線において試行開始した。合わせて各種交流電気車の試作を重ねてきたが、１９５９年にはシリコン整流器の実用化に目処が立ち、１９６０年８月、初の交直両用電車５０Ｈｚ用401系が誕生、続く１９６０年１２月には６０Ｈｚ用４２１系が完成した。
車体は３扉セミクロスシートで、１１１系・１１５系へ連なる新性能近郊型の基本となった。車体断面は１５３系などと同じく裾を絞った２９００ｍｍ幅を持ち、扉は１３００ｍｍ両開き、側窓は１０１系と同様の２段完全上昇形が採用された。前面も１５３系と同様のパノラミックウィンドウを持つ貫通型で、当初は運転台の低いタイプで製造されたが、１９６１年１２月以降落成分からは高運転台に設計変更されている。１５３系に比べ運転室寸法は短く、パノラミックウィンドウのすぐ後ろに乗務員室扉がある。また、１１１系に採用された運転助手側の折り畳み機構は採用されず、乗務員室仕切は固定式である。塗色は、交直流車両ということで、交流電気機関車の赤２号と直流電気機関車のぶどう色２号を合わせ、明度を上げるために灰色を混ぜた独特の交直両用色赤１３号一色で、ヘッドライト周りにクリーム色４号の帯を巻いて警戒色としている。また、４０１系は正面の行先表示器の下に５０Ｈｚ用を示す細い帯を、４２１系は車体の裾全体に６０Ｈｚ用を示す細い帯を巻いていた。
我が国初の交直両用電車であるが、主電動機は交流区間での脈流運転対応を施した直流ＭＴ４６Ｂを採用、主抵抗器、主制御器についても直流機器が搭載されている。モハ４００・モハ４２０には８００ｋＶＡの主変圧器とシリコン整流器が搭載され、屋根上は各種高圧機器、交直切替スイッチ空気遮断機、避雷器などが所狭しと並んでこの部分は低屋根構造となっている。台車は電動車がＤＴ２１Ｂ、制御車がＴＲ６４である。
４０１系・４２１系共に、使用線区の電化前に落成しており、４０１系は東北線、４２１系は北陸線で各種試験、試運転が行われ、１９６１年６月１日の電化開業からそれぞれ、常磐線・鹿児島本線で運転を始めた。しかし、常磐線においては、座席定員の圧倒的に多い客車から４連または８連のセミクロス車に置き換わったことで、せっかくの最新型電車導入にもかかわらずソフト面での一般乗客の評判は芳しくなかった。また、１９６４年１０月から１年間、１５１系特急電車の博多乗り入れに伴いサヤ４２０型３両が電源車として使用され、のちにモハ４２０に編入されたのは有名なエピソードである。
その後、１９６５年からＭＴ５４を装備した４０３系・４２３系に移行し、１９７１年に５０Ｈｚ・６０Ｈｚ共用の４１５系が製造され、ステンレス車体を持つ１５００番台まで製造が続くことになる。
４０１系は１９７８年から老朽廃車が開始されるが、時期を同じくして先頭車のシールドビーム化が行われ、１９８３年後半からは、「つくば科学万博」開催に合わせて現在の新塗色に変更された。４０３系は冷房改造車も存在したが、４０１系の改造車はない。一部の車両がＪＲ東日本に引き継がれたが１９９１年までに廃車されている。
一方４２１系は先行製作車８両が１９７９年に廃車となった後、１９８６年と１９８７年に大半の車両が廃車された。しかし、一部の車両はＪＲ九州に引き継がれ冷房化、新塗色化された。