新性能直流用電気機関車として、初めての大型機関車ＥＦ６０形式が昭和３５年に登場し、平坦線区向けとして貨物用はＥＦ６０形式、旅客用はＥＦ６１形式（東海道・山陽本線向け）、信越本線向けにＥＦ６２形式及びＥＦ６３形式が登場しました。このうち、後者のＥＦ６２形式及びＥＦ６３形式は勾配線区向けの電気機関車ですが、碓氷峠用の特殊装備を施したもので、他の勾配線区ではこれほどの重装備は必要ではありませんでした。
しかし、奥羽本線の板谷峠や中央本線などといった２０‰～３３‰の中勾配線区が電化開業すると、これら勾配線区向けの発電ブレーキを備えたＦ級電気機関車が必要となり、昭和３９年にＥＦ６４形式が登場しました。
車体はＥＦ６２形式を基本としたレイアウトで、重連運転を前提とした貫通扉付、前面窓は傾斜が無く、異なる顔つきとなりました。塗装はぶどう色２号ではなく、１号機より青１５号にクリーム色１号の新塗装色としています。
搭載機器についてもＥＦ６２形式を基本としていますが、碓氷峠用の特殊装備は省略され、台車もボギー台車を３組用いたものに戻しています。
昭和３９年に登場した０番代と昭和５５年に登場した１０００番代があり、それぞれをご紹介しましょう。
０番代
昭和３９年より登場したグループです。勾配線区での使用であり、発電ブレーキを常用とする事から側面のフィルター部が大きくしているのが特徴です。７９両が登場しました。奥羽本線の板谷峠で活躍後、中央本線や伯備線を中心に活躍しました。現在は多くが廃車となり、ＪＲ東日本３６～３９号機が残るのみとなっています。
ＥＦ６４ １・２
本形式の先行量産車です。様々な確認等の性能試験後量産車が登場します。
ＥＦ６４形式旅客用グループ（３～１２、２９～５５号機）
このグループは客車用電気暖房用の電動発電機を搭載しており、ＥＦ６２形式と同じ容量としています。助手側側面に電気暖房表示灯が設置されています。
●ＥＦ６４ ３～１２
見た目は試作車と同じ外観ですが、構造を全面的に見直しています。車体構体の強化、バーニア制御器や抵抗制御器の変更が行われています。写真はＪＲ貨物所属機になった車輛で、電気暖房設備が必要ないため表示灯が撤去されています。
●ＥＦ６４ ２９～３６
ＥＦ６４形式全体では３次及び４次車になるグループです。主電動機や避雷器など各種機器の設計変更を行いました。乗務員室では白熱灯から蛍光灯に、床材を木材からロンリウムシートに変更するなど作業環境改善が図られました。３１号機以降にはＥＢ装置及びＴＥ装置が装備されています。
●ＥＦ６４ ３７～５５
ＥＦ６４形式全体では５～７次車になるグループで、旅客用では最後のグループです。３７～４３号機までが５次車、４４及び４５号機が６次車となり、機器類の変更が主で、空転滑走検知装置を車軸発電方式から電機子電流の変化を検知する方式に変更しています。後部標識灯の形状が変更となっています。４６号機以降は７次車となり、雪害対策による機器変更が行われたほか、高速運転時からのブレーキ力低下を補うため、応速度単機増圧装置を装備しました。また、外観に大きな変化がでました。屋根上では避雷器がパンタグラフの前部から後方へ移動し、前方には運転台に扇風機を設置したため、そのカバーが付けられました。扇風機になったため、前面窓下にあった通風口が廃止されています。
ＥＦ６４形式貨物用グループ（１３～２８・５６～７９号機）
旅客用とは異なり、電気暖房設備機器を搭載していません。その重さの分をコンクリートブロックや鉄板などの死重を搭載してカバーしています。外観では電気暖房表示灯が無いなどの違いがあります。
●ＥＦ６４ １３～２８
ＥＦ６４形式全体では２次車になるグループです。旅客用１次車とほぼ同じですが、後部標識灯を大きくしています。
●ＥＦ６４ ５６～７９
ＥＦ６４形式では７～９次車になるグループです。旅客用グループの７次車と同じ設計変更が行われています。
０番代の仲間
●ＥＦ６４ ２５
屋根上モニター部の採光窓が四角の車輛です。通常は楕円型ですが、この車輛だけ四角いタイプになっていました。
●ＥＦ６４ ３７
ＪＲ東日本高崎運転所に所属する１両です。旧型客車を牽引するためにぶどう色２号にしました。ＥＦ６４形式ではなかった色の採用です。ファンからは「茶ガマ（カマは機関車の意味。）」と呼ばれています。長野運転所所属車で４１号機（現在は廃車）も同様に塗装変更を受けており、ナンバーが金色になっていました。
●ＥＦ６４ ６６
ＪＲ東海に所属していた欧風客車「ユーロライナー」の指定機として、客車にあった塗装が施されていました。他に３５号機がありました。
●ＥＦ６４ ７７
ＥＦ６４形式の最終増備車となる車輛で、車号などが切抜き文字貼り付けからプレート式に変更となっています。その中の１両である７７号機はお召し指定機に抜擢された経歴をもっています。車体側面に銀色の帯が貼られており、他車との違いは一目瞭然でした。ＪＲ貨物の所属機ながら、寝台急行「ちくま」などを牽引していました。その後、前面の表記が赤くなり、帯もクリーム色に変化しました。
●ＥＦ６４ ４７
ＪＲ貨物所属のＥＦ６４形式の更新工事を受けた車輛に見られた塗装の一つです。白色をベースに水色、青色の帯を巻いた爽やかな塗装になりました。
１０００番代
上越線で活躍するＥＦ５８形式、ＥＦ１５形式及びＥＦ１６形式の老朽化置換えを目的に昭和５５年に登場したグループで、国鉄が手掛けた最後の新製電気機関車としても有名です。
性能面は０番代と同一ですが、活躍を予定している上越線は国内有数の豪雪地帯を走行するため、各部の仕様を基礎から見直しました。このため、外観の変化は著しく他の形式にしても良かったのでしょう。しかし、諸般の事情より同一形式の番代区分で製作されています。
特に重要視されたのが雪害対策で、機器室を３分割としたため車体長は延長されました。大形ルーバーのある部分が第２機器室で、その前後に第１機器室、第３機器室が配置されています。第２機器室には主抵抗器など発熱の高い機器とブロアモーターなど騒音のある機器を集中配置をし、運転室の防音効果も兼ねています。このような機器配置を行ったため、左右非対称の他の国鉄電気機関車では見られない独特のデザインとなりました。
電動発電機はブラシレス化を行ったブラシレス電動発電機を、電気暖房用電源装置はサイリスタを使用した静止型インバータを使用しています。
台車は車体長が長くなったため、ＥＦ８１形式に使用している台車に勾配上に長時間停車する際に使用するロックシリンダー転動防止装置を装備したＤＴ１３８Ａ、ＤＴ１３９Ａ形式を履いています。
ＥＦ６４ １００１～１０３２（ＥＦ６４ １００１：マワ車所蔵・ＥＦ６４ １００４）
旅客用として登場したグループです。暖房用のインバータ容量は０番代と同一で、助手側に電気暖房表示灯が設置されているのが特徴です。なお、２次車となる１０１７号機以降では、夜間にジャンパ栓などの着脱作業をする際に照明を必要としたことから、ジャンパ連結器上部に照明を設置しています。１次車となる車輛も後に設置されています。（写真左は新製直後のもので、照明がありません。）
ＥＦ６４ １０３３～１０５３
貨物用として製作されたグループで、インバータの代わりに死重を搭載しています。屋根上の機器配置も若干異なっています。
１０００番代の仲間
●ＥＦ６４ １００１
ＪＲ東日本高崎運転所に所属するトップナンバーですが、ぶどう色１号に白い帯を巻いた塗装となっています。同所に所属していた和式客車「くつろぎ」やＥＦ５５形式の補機として合う塗装に変更したのが始まりです。旧型客車にも似合うため人気があり、イベント列車を中心に活躍をしていました。平成２９年に元の国鉄色に戻されています。
●ＥＦ６４ １０５２
上記の１００１号機が元の塗装に戻され、平成３０年に１０５２号機が２代目としてぶどう色１号に白い帯を巻いた姿になっています。
●ＥＦ６４ １０３０～１０３２（ＥＦ６４ １０３０・ＥＦ６４ １０３１：ｔｕｂｏフォトオフィス様撮影）
ＪＲ東日本長岡車両センターに所属するこの車輛たちには電車牽引用の特殊装備を施しています。総合車両製作所新津事業所（旧：ＪＲ東日本新津車両製作所）で製造された首都圏向けの車輛の配給や廃車となる車輛を長野総合車両センターへ回送などに活躍しています。連結器が双頭連結器に変えられ、ブレーキ読替装置の搭載が行われています。右の１０３１号機のＪＲマークは電車用のものでしょうか、小型のものとなっています。廃車回送などに使われるため、ファンからは「死神」の愛称が付けられています。
●ＪＲ貨物所属車（減圧促進改造車）
貨物列車のブレーキ方式は「自動空気ブレーキ」という古くからあるブレーキ方式です。システム的には圧縮した空気をブレーキ管、ブレーキシリンダーに溜めます。ブレーキを動作させる時にその空気を抜くことで減圧し、ブレーキシリンダーが動作しブレーキが動作するというものです。この減圧の伝わり方ですが、機関士がブレーキ弁を操作し、そこから空気が抜けてきます。まず機関車からブレーキが動作し、次の車輛へと伝わっていきます。このため、長大な編成では最後部までに動作する時間がかかる事がお解り頂けると思います。つまり、速度が高ければ高いほど止まるまで時間と距離が必要となります。この減圧を早くする装置があり、これを減圧促進装置といいます。この装置により、ブレーキの動作を早め、停止するまでの時間と距離を短くします。
１０００番代にこの減圧促進装置を搭載する事となり、識別として前面の車号プレートを濃い青色をベースに銀色の文字としました。
●ＪＲ貨物所属車（冷房装置搭載車）
機関車は長らく非冷房（扇風機はありました。）であり、乗務員の労働環境は良くありませんでした。平成の時代に入ってもそのままでありましたが、労働環境改善のため冷房装置が搭載されるようになりました。運転台上部にある扇風機カバーの部分に冷房装置を搭載しています。
●ＥＦ６４ １０１０
ＪＲ貨物発足後、同社のＰＲとイメージアップを兼ねて様々な機関車に従来では見られなかった大胆な塗装を施した車輛が登場しました。ＥＦ６４形式では写真の１０１０号機に施行され、同機の運用線区で見られました。
●ＥＦ６４ １０１５
車輛の機器更新などを施した更新車と呼ばれる１両で、１０１５号機のみ０番代やＥＦ６５形式に見られる白地をベースに青の濃淡の帯を巻いた塗装で登場しました。しかし、遠くからではＥＦ６４形式なのかＥＦ６５形式なのか識別が難しく、乗務員から評判が芳しくないため、この１両のみで終わりました。
●ＪＲ貨物所属機更新車（ＥＦ６４ １００２・１０３８・１０４２：１００２及び１０４２号機はｔｕｂｏフォトオフィス様撮影）
ＪＲ貨物所属で、更新工事を受けてオリジナルの更新色となりました。ポピュラーに見られる更新機です。当初は帯の幅や角度などに違いが見られました。冷房装置も搭載した時期によって様々あるようです。
●ＪＲ貨物所属機更新車その２
ＪＲ貨物の更新工事を行った工場によってはそこのオリジナルとなる塗装もあります。写真は広島車両所で更新工事を行った車輛は青色をベースに前面、側面帯をライトグレー、乗務員室扉を黄土色としています。