常磐線では、東京への通勤圏が取手駅以北に伸び、利用者も増え続けてきました。取手以北は石岡市にある気象庁地磁気観測所への影響を避けるため交流電化となっていました。このため、混雑時に収容力のある４扉ロングシート車である１０３系は直流電車であり使用できませんでした。混雑緩和のため、１５両編成化やロングシート車の導入を進めましたが、３扉車では混雑の対応に限界がありました。
　地元自治体でも通勤形交直両用電車の投入を要望する声が多く、ＪＲ東日本では投入にあたっては京浜東北線などで活躍する２０９系をベースに交直両用電車としたＥ５０１系を平成７年に登場させました。
　車体は台枠の一部、先頭部を除いてステンレス構造となっています。交直両用電車である事から床下機器の艤装スペースが必要であるため、若干車体長が延長されています。また、先頭車後位の連結器にはＥ２１７系と同じ衝撃吸収タイプの構造が採り入れられています。
　制御方式はＶＶＶＦインバーター制御方式ですが、機器更新時（付属編成は平成１２年、基本編成は平成２４年まで）までＧＴＯサイリスタ素子を用いた主変換装置を使用していました。ドイツのシーメンス社製のもので、ＪＲの電車では唯一の採用例で、発車、停止時の励磁音が音階を奏でる特徴があり、停車中も音階を奏でていました。
　交直の境となるデッドセクションでの切り替えは、Ｅ９９３系「ＴＲＹ－Ｚ」で開発された方式を採用。ＡＴＳ－Ｐ地上式を用いて自動で切り替えが行われます。同時に運転士に交直セクション地点の喚起、自動切り替え不良時には警音を発する機能が付いています。客室は切り替え時は自動的に蓄電池からの供給に変わり、消灯しないようになっています。
　車内は要望の多かったロングシート仕様となっていますが、座席数が減ってしまった事、トイレが設置されておらず、長距離運用に不向きである事から、平成１９年以降は土浦以北及び水戸線の運用へ。現在は土浦～いわき駅の運用で活躍しています。