４０１系・４２１系
先述の通り、４０１系（交流５０Ｈｚ用）は常磐線取手～勝田駅間交流電化開業、４２１系（交流６０Ｈｚ用）は山陽本線小郡（現：新山口駅）～下関駅間直流電化、鹿児島本線門司港～久留米駅間交流電化開業に合わせて昭和３５年に先行試作車４両編成２本ずつが登場しました。
クハ４０１－１～２２（クハ４０１－１４）
４０１系の制御車として製作されたグループです。セミクロスシート仕様の車内に車端部にトイレが設置されています。運転台はクハ１５３－１～もモデルとしており、低運転台車となっています。床下には電動空気圧縮機を搭載しています。
クハ４０１－２３～８８（クハ４０１－７６）
２３番以降は踏切事故対策で運転台がクハ１５３－５０１～と同じ高運転台仕様に変更しています。５１番以降は４０３系の制御車として製作されました。４０３系の制御車として製作された車輛は運転台上の通風器を箱型のものに変更しています。なお、冷房化された際、集中式冷房装置を搭載した車輛は撤去されている車輛もありました。
写真は更なる踏切事故対策で前面強化、アンチクライマーを装備、冷房化（ＡＵ７１２形式搭載）で、床下に冷房電源用ＭＧを搭載（偶数番号のみ）し、冷房装置制御盤設置により運転台後方の窓を埋めています。
クハ４０１－８９・９０（クハ４０１－９０）
最終増備車となるこの２両は屋根上にある通風器をグローブ型から押込み型に変更しています。
クハ４２１－１～２２（クハ４２１－１０）
４２１系の制御車として製作されたグループです。交流商用周波数が６０Ｈｚと異なるだけで、基本的な構造は４０１系と同じとなっています。
クハ４２１－２３～１０６（クハ４２１－５８）
４０１系と同じく、踏切事故対策で高運転台になったグループです。４１～６０、６７～１０６番は４２３系の制御車として登場しました。この４２３系用の制御車では運転台上の通風器を箱型のものに変更しています。
モハ４２０－１～（モハ４２０－２３）
４２１系のパンタグラフ付き中間電動車です。４０１系のモハ４００形式も同じ設計で、交流商用周波数が異なるだけです。主変圧器、主整流器など交流機器が搭載されています。パンタグラフ部分は絶縁距離を確保するために低屋根構造としています。モハ４２０－２１～２３番までは昭和３９年にサヤ４２０形式という事業用車で誕生しました。
このサヤ４２０形式とは、東海道新幹線開業により、東海道本線で活躍していた１５１系特急形直流電車を山陽本線を経由して九州間のアクセス特急に転用する事が決まり、交流区間においてサービス用電源を供給する電源車です。門司～博多駅までは交流区間なので機関車で牽引する事で対応できますが、サービス用電源が確保出来無い問題が残りました。１５１系での運転はわずかな期間である事から、設計した車輛を任務終了後に４２１系に簡易な改造で編入できるようにモハ４２０形式をベースに設計（外観はモハ４２０形式そのまま）しています。昭和４１年に主電動機や動力台車を履き、モハ４２０－２１～１３に改造しました。
モハ４２１－１～（モハ４２１－２３）
モハ４２０－１～とユニットを組む中間電動車です。主制御器、主抵抗器などの直流機器を搭載するほか、単相交流１００Ｖを出力する電動発電機（ＭＧ）を搭載しています。外観、機器類共に４０１系のモハ４０１形式も同じです。
写真の手前に大きなルーバーがありますが、これは冷房改造を行ったものです。集中式冷房装置の改造を行うと構体や屋根などに補強が必要になるため、コスト面に問題がありました。そこで、改造費用を抑えた方法が考えられました。ＪＲ九州で開発したものが、ＡＵ２Ｘ形床置き形冷房装置です。車内天井部にダクトを配して冷風を車内に供給します。ルーバー部に冷房装置（凝縮器）を設置し外気をここから取り入れ、凝縮した際に出る風を直上にある特大グローブ型排風器から排出する仕組みとなっていました。
モハ４０２－１～１９（モハ４０２－１８）
４０３系のパンタグラフ付き中間電動車です。モハ４００形式の主電動機出力を向上させた形式で、主変圧器、主平滑リアクトルの一体化が行われ、機器配置の変更が行われています。また、メンテナンス作業を考え、パンタグラフ周辺の機器配置を４５５系、４７５系と共通にした変更が行われています。
モハ４０２－２０（モハ４０２－２０）
最終増備車となる２０番は仕様が変更され、グローブ型ベンチレーターから押込み型ベンチレーターに変更しています。この他、乗降扉のステンレス化が行われています。４２３系ではモハ４２２－２９、３０番が同様の変更を行っています。
モハ４０３－１～１９（モハ４０３－１８）
４０３系の中間電動車で、モハ４０２形式とユニット組みます。主制御器、主抵抗器といった直流機器を搭載しています。モハ４０１形式の出力向上車で、外観はほぼ同じとなっています。
モハ４０３－２０（モハ４０３－２０）
モハ４０２－２０とユニットを組む最終増備車で、屋根上通風器が押込み型に変更されています。４２３系ではモハ４２３－２９、３０番が同様に変更されています。
モハ４２２－１～２８（モハ４２２－１３）
４２３系のパンタグラフ付き中間電動車で、モハ４２０形式の出力向上を図った形式になります。２９、３０番は屋根上の通風器（ベンチレーター）がグローブ型から押込み型に変更されています。
モハ４２３－１～２８（モハ４２３－１９）
４２３系の中間電動車で、モハ４２２形式とユニットを組みます。交流商用周波数が異なるのみで、４０３系のモハ４０３形式と同一構造です。
写真の車輛は国鉄時代に開発したＡＵ１Ｘ形冷房装置を搭載したものです。主変圧器２次巻線で降圧された交流１５００Ｖを各車に搭載されている補助変圧器でさらに２２０Ｖまで降圧し、これを供給電源としたものです。欠点として交流電源によって供給されるため直流区間では冷房装置が使用できない問題があります。ＪＲ九州に移行して床置き形のＡＵ２Ｘ形冷房装置の開発につながります。
