国鉄101系電車（こくてつ101けいでんしゃ）は、1957年（昭和32年）に登場した日本国有鉄道（国鉄）の直流通勤形電車。国鉄で初めての新性能電車である平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.10。
登場当時はモハ90系電車と称していたが、1959年の称号改正に伴い、101系と改称された。
概要 国鉄の電車として初めて中空軸平行カルダン駆動方式などの近代的メカニズムを搭載し、いわゆる「新性能電車」のはしりとなった系列で、この基本システムは、1980年代前半に至るまでの国鉄電車に広く応用された。
車体は切妻形で運転台は傾斜した平面3枚窓のシンプルなデザイン、両開き4扉を持つ軽量構造の全金属車体1956年の72系全金属車以前は、床や内装に木が用いられた半鋼製車であったが、不燃・軽量化のため金属、合成樹脂などを用いて内装から木材を廃した。、客室の座席配置は扉間7人掛け、車端部3人掛けのロングシート、枕ばねと軸箱支持のウイングばねをすべてコイルばねとした台車、直巻整流子電動機、抵抗制御、発電ブレーキ併用の電磁直通ブレーキと、続く103系電車にもほぼ引き継がれた、国鉄通勤形電車の一時代を画した仕様である。また、2両の電動車を不可分の1ユニットとして、1器の主制御器で8個の主電動機を直並列制御し、必要機器を分散して搭載するMM'ユニット方式も以後の基本となった。
また101系は、通勤形電車としては10両編成・2分間隔運転と輸送力増強が頭打ちになっていた中央線快速に投入することを想定して仕様が決められ、従来の旧形電車の加減速の約2倍の性能をもってラッシュ時の運転間隔を短縮することで、輸送力を増強することとされた。
101系と相前後して落成した、日本初の高加減速電車である近鉄6800系電車（ラビットカー）など、私鉄各社でも高性能車と呼ばれる高加減速の電車が続々と登場していたこの時期、開発当初は加減速性能の向上を狙って全電動車方式（オールM編成）を採用したのが大きな特徴である。個々の主電動機の能力を極限まで高めるのではなく、全車両を電動車として編成全体の出力を高める方針が取られたため、主電動機は高回転型で小型軽量となり、国鉄が製造するすべての電車に共通して用いられる、標準形のMT46A形が開発された。
しかし、この構想は以下に詳述の通り、電力設備等の問題により変更を迫られ、後に、例えば電動車6両に付随車を2 - 4両連結するような運用となったが、当然ながら初期の性能は発揮できず、費用対効果の問題から、より経済的な103系電車が後継として開発され、国鉄の標準通勤電車の座を譲ることになった。これらの事情から、国鉄ではカルダン駆動の車両を「高性能車」と呼ぶのをやめ、「新性能車」と呼ぶようになった。
導入の経緯 1953年（昭和28年）以降、大手私鉄では旧来の吊り掛け駆動方式から脱却して新世代のカルダン駆動方式を採用した高性能な通勤電車が開発され、1954年以降に各社ともに増備して通勤輸送の質的改善に成果を上げていた。しかし、短距離電車製造が中心の大手私鉄と違い、当時の国鉄では電車以外にも1953年度以降の気動車による無煙化、交流電化用車両の設計、貨物輸送増強用車両、軽量客車などの設計を平行して行っていることや、在来線の電車の将来構想や新旧混在の線区での不都合など、今後の方針が明確ではなかったことなどから、通勤用車両は昭和30年代に入っても72系などを継続生産していた。
大都市圏における通勤輸送の激増に対応するには困難な状況になっており、抜本的な対策を迫られ1955年末に新性能通勤電車の開発を始めることになる。当時は国鉄の蒸気機関車で使用している優良炭を産業界に転用することを目的として幹線電化を進めており1959年からの動力近代化計画に発展する。、1956年11月には東海道本線の全線電化も予定されていたことから新性能電車の設計は通勤輸送用の狭い範囲ではなく、将来的には長距離優等列車の電車化にも主電動機の歯数比を変更するだけで流用可能なようシステムの柔軟性が求められた汽車製造の試作車の技報では、「使用条件の過酷な近郊形で試作試用を行えば、幹線用電車への導入も容易であるとの配慮に基づいたもの」と説明している。。このような背景から前述のような形で設計が進められた。
国鉄当局がメーカーに対して試作車の構想として示した要求は下記のようになっている「日本国有鉄道納 新性能電車モハ90の試作について」『KSK技報』6巻3号 1957年7月。これらの事項は軒並み実車に盛り込まれている。
全電動車編成で2両1単位の永久連結とする。 主電動機は高速回転の軽量小型で出力100 kW、定格電圧375 V、中空軸平行カルダンとする。 加減速度はそれぞれ3.2・4.0 km/h/sとし、乗客の増減にかかわらず、加減速度を一定に保つ積空制御を行う。 ブレーキは電空併用とする。 車体・台車・ギ装の全般に渡り軽量化を行う。 自動ブレーキ以外従来車との連結運転は考えない。
一方、国鉄が各管理局・運転区向けに作成した「モハ90形取扱説明書」では新型電車導入の効果として次の5項目が挙げられている「鉄道ピクトリアル」2002年11月（通巻724）号「特集・101系電車」。 運転時隔の短縮により線路容量の増大が可能となり、輸送力の増強を効果的に行うことができる。 運転時分の短縮が可能となり、表定速度を高めてサービスを向上できる。これに伴って、ラッシュ時では輸送増を別とすれば電車使用両数も減少する。 軽量化によって電力費、軌道保守費を節減するとともに、新技術の導入による設計の近代化によって、車両の保守修繕費が減少する。 修繕回帰キロを延長し、検修予備車を節減できる。 特急電車などを将来考える場合は、主として性能上およびサービス上の観点から、新形電車によらなくては実現不可能である。
主に従来型の吊り掛け式国電と比較してのメリットを挙げているが、最後の項目では、すでに実施されていたモハ80系よりもさらに長距離・高速運転の電車を開発するということを示唆している。これはモハ90形が新世代通勤国電であると同時に、後に151系、153系、さらには新幹線計画に至る国鉄長距離列車の高速化・動力分散化への技術開発とその実車検証のためのものであることを表しているモハ90形の国鉄側責任者は、後に新幹線計画において重要な役割を果たすことになる島秀雄技師長である。戦前の「弾丸特急」の凍結から「東海道新線」が復活したのはモハ90形の登場と同じ1957年（昭和32年）であり、翌1958年に現行の東海道新幹線の建設が決定された。モハ90形の成績は新幹線計画に主に車両面での技術的裏打ちを与えた(ただし、標準軌でバックゲージに余裕があるため、新幹線0系電車では、中空軸平行カルダン方式である必要性が薄いことから、軽量化のためにWNドライブ方式が採用された)。。
構造 車体
1956年（昭和31年）に試作された72系全金属車の基本構造を引き継いだ。すなわち全金属製セミ・モノコック構造、前面が非貫通型で切妻形の極めてシンプルなデザインもほとんど変わらない。車体長は19.5 m、ウィンドウ・シル/ヘッダーのない車体の断面は幅2.8 mで両側がまっすぐ立ち上がる形であり、近郊形などに最大幅2.9 mの裾絞り車体が現われて以後も製造時の経済性を重んじた国鉄通勤形では標準として長く使われることになった。なお、台車軸距の減少に伴い、台車中心間距離は13,800 mmに延長されている。客車に比較すると用途の関係上それほど軽量化できなかったものの、台枠厚さをそれまでの180 mmから150 mmとし、プレス品を多く採用することで、構体重量を約10 tとしている。
全室式の運転台の前面は上部が室内に約10度傾いた3枚窓で、運転台上方に方向幕が取付されたが、これも72系全金属車で採用されたデザインの踏襲である。しかし、客用ドアは従来のモハ72系の94 cm幅の片開き扉から1.3 m幅の両開き扉に変更され、開閉速度と客扱い能力が向上した。国鉄車両での両開き扉の採用は、1941年に試作されたサハ75形021号初代。木造車サハ25形の鋼体化17 m車で戦災廃車となった。なお、戦災を免れたサハ75形の僚車は戦後サハ17形に改称された。の例があるが、本格的な採用は101系が最初である。サハ75形は1ドアにつきドアエンジンを2個使用していたが、101系では1ドアに1個となっている。
車体塗装は中央線快速向け編成ではオレンジバーミリオン（朱色1号）が採用され、従来車と識別が図られた編集部「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2002年11月号、p.13。その配色の鮮やかさから乗客の間では「金魚」とも通称された。山手線向けにはカナリアイエロー（黄5号）で塗装されたが、当初はラインカラーとしてではなく誤乗防止のためであり、首都圏国電にラインカラーの概念が取り入れられたのは後に山手線用103系がウグイス（黄緑6号）を採用したことがきっかけとなる。従来の車両において窓下に記されていた等級を表す記号（三等車の場合は縦棒3本線）は本系列以降は廃止された。
客室窓はアルミサッシを用いた全開可能な2段上昇式で、ドア間は2組を1セットにまとめたデザインとなっている。客室の換気については特に留意して設計されたため、通風器は900番台試作車が80系と同様の押込吸出兼用式（ただし80系のものに比べると大きかった）であったが、量産型は通風能力を重視して72系と同様の大型グローブ式に逆戻りしている。側面雨樋は、900番台試作車では外板をそのまま立ち上げて綺麗に隠していたが、量産型では生産性・保守性を重視して通常の外付け型となっている。
剛性は下記のようになっている。当時より相当曲げ剛性は乗り心地の観点から1.0×1014 （kgf・mm2）以上欲しいと言われており、本形式はその要求に応える値となっている。しかし、これでも軽量構造の新性能車ゆえ、国鉄80系電車（サハ87）の曲げ剛性1.63×1014 （kgf・mm2）と比較すると低下した値であった。なお文献間の単位換算に注意してJR東日本E231系電車と比較すると、曲げ・ねじり剛性とも2倍を軽く超えている。
車体諸特性 項目 特性 心皿間距離 13.8 m 片側出入口個数 4扉 相当曲げ剛性 1.26×1014 （kgf・mm2） 相当ねじり剛性 47.7×1012 （kgf2/rad） 曲げ固有振動数 10.0 Hz ねじり固有振動数 6.0 Hz
車内設備 サムネイル|クモハ101-130の車内（2002年8月） 内装は72系全金属車の延長上にあり、ビニール化粧板を用いて薄緑色基調で簡素にまとめられている。蛍光灯照明と当時としては広い窓面積で、車内は明るかった。なお、蛍光灯は72系920番台では直流式の20 Wであったが、この系列では交流式の40 Wに出力増強された。座席は扉間7人掛け、車端部3人掛けのロングシートで、中間車で座席定員54人（側扉が広くなったため、72系の64人より減少）、また一部私鉄と異なり運転台と扉の間には座席がないが、以後国鉄通勤形の標準として長く使われることになった配置である。運転台に貫通路がなく、客室から運転台への扉は客室から見て右側に設けられているが、この配置も後に長く用いられている。
床は新設計とされ、鋼板の上に低圧回路用ビニル管の大部分を配管、その間にリノリウムを埋め込み、上に塩化ビニル樹脂系の層を設けた床材のネオプラスリウムを敷いた。床厚は45 - 50 mmである。また、当時の国鉄では通勤電車には扇風機さえ設けないのが普通であったが当時の国鉄で扇風機を標準装備としていたのは二等車以上と、特急運用に入る三等車のみで、通勤用や普通列車用の三等車には全く装備されていなかった。、上述の換気面への配慮により居住性改善に資するため、扇風機を標準装備とし、試作車では通風器通風口のアルミ合金製グリルにガードなしで常時設置するものであった。運転室は72系全金属車の構成をほぼ踏襲する形となった。101系では多段式電動カム軸制御器や電磁直通空気ブレーキなど新技術の採用があったため。マスコンハンドルやブレーキ弁が新型のものとなっているが、その他メーター類やスイッチ類をはじめとする設備類は、72系全金属車とほとんど変わらない仕様となっている。
主要機器 台車 台車は、電動車が新開発のDT21形である。付随車については、初期車は電動車化が計画されていたため、モーター取り付け準備が施されたDT21T形としたが、その後通常の付随台車のTR64形に変更されている。鋼板プレス部材を溶接組立したウイングばね形のボルスター式ペデスタル台車で、気動車用のDT22形（ただし、枕ばねの吊り方は若干異なる）と主要部分を共通仕様としている。
開発時点では、金属ばねより格段に乗り心地が優れるなど長所の多い空気ばね台車がすでに技術的に確立されつつあり、本形式も使用可能であった（空気ばね台車を試験的に装備しての試運転も行われた）が、国鉄では製造コスト低減のため、通勤電車用台車の枕ばねにはコイルばねを採用した。
軸ばねがすでに国鉄で実績のあるペデスタル支持のウイングばねとなったことも、コスト面やライセンスの問題を背景としている。DT21の平凡な設計はペデスタルのメンテナンスが必要という課題はあるものの、構造が単純で特許の縛りもなく、どの車両メーカーでも製造でき、基本的に低コストで作れるメリットがあった1950年代後期の日本では、アルストーム・リンク式や円筒案内式（シュリーレン式・SIG式等のスイス系技術）など新しいタイプの軸ばね機構が欧州から導入され、国内メーカー経由で大手私鉄電車に採用されつつあった。それらはメンテナンスの省力化や高速安定性に優れた特性を備えていたが、反面製造ライセンス取得などの問題で、方式ごとに製造メーカーが限定される問題があった。国鉄はその施策上、特定メーカーしか製造できない特殊設計を主力方式として大規模に導入することはできなかった。。
DT21系はその後、本形式以外の通勤・近郊形電車にも広く採用され、国鉄電車用の廉価な台車として四半世紀に渡って製造され続けた。廃車になった車両の台車の一部は、103系3000番台や121系などに流用された。
主電動機 試作車MT46定格表項目1時間定格連続定格出力（kW）10085電圧（V）375375電流（A）300255回転数（rpm）全界磁1,8602,000回転数弱め界磁3,1803,600
主電動機は、東洋電機製造が原設計を担当「電車モーターを設計していたころ（PDF）」 、『わだち』第130号、鉄道友の会福井支部、2010年5月。した新開発のMT46A形（試作車はMT46形）で直流直巻整流子電動機（補極付）で、分路界磁制御自己通風型である。高回転化したことで、旧形電車に用いられたMT40形より大幅に小型軽量化したもので、重量は660 kgで約1/3、端子電圧375 V、上述の通り中空軸平行カルダン駆動方式。なお、MT40形などは並列接続時に2個直列となるため、端子電圧750 Vであるが、本形式では2両単位の制御となり並列接続時に4個直列となるため端子電圧はその半分となった。発電ブレーキの使用時には電圧が定格の2倍程度まで達するのでそのためにも低電圧化が必要であった。その後、1963年頃までに登場した初期の国鉄新性能電車の各系列に用いられた。電機子絶縁は特B種、界磁絶縁は特H種、温度上昇限度はそれぞれ120 ℃・150 ℃となっている交友社『新性能電車詳説』1958年10月15日、1958年、P.16。電気車研究会『モハ90形電車詳説』1958年11月15日他多数。
主制御器 試作車CS12性能表項目説明制御方式自動総括制御方式制御電圧直流 100 V制御空気圧力5.0 kg/cm2主回路電圧直流 1500 V主電動機MT46 8個（永久直列4個2組）制御段数力行段直列全界磁 - 13段並列全界磁 - 11段並列弱め界磁 - 4段ブレーキ段直列 - 13段並列 - 11段 主制御器も、新開発のCS12A形（試作車はCS12形）である。2両分8個の主電動機を制御する多段式電動カム軸制御器で、旧形に比較して段数が増えて力行、ブレーキ時の電流変化が少なく、電流の平均値を上げることができ、結果加速度減速度の向上にも貢献した。このことは運転の円滑さにも繋がり、起動、ブレーキ時の衝撃が少なくなって機器故障率の減少や乗り心地向上にも繋がっている。また、発電ブレーキの制御が追加され、制輪子の磨耗が減少し、鉄粉の発生が少なくなり絶縁性の向上にも繋がった。スペックは一覧を参照。 その基本構成は1954年の東急5000系電車 (初代)に採用された東芝製電動カム軸制御器PE-11形（弱め界磁起動1段、直列12段、渡り2段、並列11段、弱め界磁3段、発電制動20段）の影響が強いと言われる「東京急行電鉄5000形」 p. 37。この起源をさらに遡れば、アメリカのゼネラル・エレクトリック社が地下鉄電車向けに開発したシステムに辿り着く。 また、電動車2両ユニット制御方式の採用は三菱電機が携わった1954年開発の近鉄モ1450形電車・小田急2200形電車の先例に倣ったものであり、さらに東洋電機製造製のカム軸制御器の技術要素も取り入れるなど、全体には私鉄で先行採用された重電メーカー各社の新型制御器技術を適宜取り入れ、折衷したものとなっている。
CS12はその後、標準型制御器として多くの平坦線向け国鉄電車に搭載されたことで長期に渡って生産され、最終的には実に1991年（JR東日本による415系1500番台最終増備車用）まで新規製造された。また、その基本構造や制御シーケンスは、国鉄がこれ以後開発した電車用制御器にも順次応用された。
試作車では応荷重弁機構の採用により乗車率に係らず一定の加減速が得られることをメリットに挙げていたが、乗車率が大きくなると限流値を高める仕組みのため、架線温度上昇や変電所容量によるピーク電流制限のあった中央線では試作車の試運転中より装置の使用は問題視されており、試作車の営業運転開始時点から応荷重装置を使用していない「国電モハ90形電車が営業運転開始」『電車』1958年2月号、1958年、P.50・小沢耕一「モハ90形電車と1年」『JREA』1959年8月号、1959年、P.29 - P.31など。
ブレーキ ブレーキは、電磁直通方式のSELDSE:電磁直通、L:ブレーキ調整装置、D:発電ブレーキの略。方式である。大手私鉄におけるHSC-Dブレーキ（1954年に小田急電鉄で初採用）とほぼ同一のもので、空気ブレーキと電気ブレーキを連動させ、迅速かつ強力なブレーキ性能を得られるシステムであり、試作車では制御機構として上述の応加重装置も装備した。それと同時に「セルフラップ機構」が導入された。ブレーキハンドルを回した角度に比例してブレーキ力が働くシステムで、ブレーキ操作が著しく単純化・省力化されたことは重要である。
空気ブレーキが応答性の高い電磁直通ブレーキに変更されたのに併せて、基礎ブレーキの構成も一新され、車体にブレーキシリンダー1基（80系は2基）を設置してそこから各台車にブレーキロッドでブレーキ力を伝達していた従来の構成を全面的に改め、各台車に4基（各車輪ごとに1基）のブレーキシリンダーを設置して伝達距離を大幅に短縮することにより、応答性・保安性を向上させた。
主抵抗器 101系では、電気ブレーキとして発電ブレーキが搭載されたことによる主抵抗器の発熱量の増大が予想されたため、従来の自然通風式を改めて強制通風式の主抵抗器を採用した。主抵抗器はM,Mc車の電動発電機の両側に2群に分けた薄鋼板製のケーシングに収められ、2群の中央に置かれた冷却用送風機により送風を行う。この送風機は電動発電機も兼ねており、電動発電機の電機子軸を両側に延長してその延長部分に送風用ファンを付けた形となっている。第1群側には減流抵抗器が1個余分に納められている。
形式 クモハ101形 - Mc（制御電動車） - 旧モハ90形500番台奇数番号 クモハ100形 - M'c（制御電動車） - 旧モハ90形500番台偶数番号 モハ101形 - M （中間電動車）- 旧モハ90形0番台奇数番号 モハ100形 - M'（中間電動車） - 旧モハ90形0番台偶数番号 クハ101形 - Tc（制御車） クハ100形 - T'c（制御車） サハ101形 - T （付随車）- 旧サハ98形奇数番号 サハ100形 - T'（付随車） - 旧サハ98形偶数番号 ※クハ100形・クハ101形は1959年の車両称号規定の改正後に登場したため、旧形式は持たない。
新造車 試作車 国鉄初の新性能電車として、1957年6月に全電動車10両が試作された編集部「101系電車形式集」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.41。形式はモハ90形の1形式のみであるが、先頭車と中間車、パンタグラフの有無により4つの形態が存在した平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.15。90500番台が先頭車、90000番台が中間電動車であり、それぞれ偶数番号車がパンタグラフ付き、奇数番号車がパンタグラフなしの車両である平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.11。
車体は軽量鋼製車体で両開き扉を採用し、雨樋を車体に埋め込むことで見栄えの向上が図られた平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.11。側引戸の窓と戸袋窓はアルミ合金製窓枠で支持する方式となった。主電動機は出力100 kWのMT46形、主制御器はCS12形である平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.13。屋根上の通風器は押し込み式で、パンタグラフは旧性能電車用のPS13C形が搭載された。台車は72系のDT20A形より全長を330 mm短くしたDT21形で、量産車登場後にDT21X形に改称されている。
1959年の車両称号規定改正に伴い、試作車は以下の通りに形式・番号が変更された平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.22。
モハ90000・90002・90004→モハ100-901 - 903 モハ90001・90003・90005→モハ101-901 - 903 モハ90500・90502→クモハ100-901・902 モハ90501・90503→クモハ101-901・902
量産車 モハ90系試作車による試用結果を元に、改良を加えた量産車が1958年3月より増備されることになった。車体は通風器や雨樋の変更が行われ、機器類にも設計変更が加えられた。1959年6月の形式称号規程変更でモハ90系は101系となり、以後の新造車は101系として製造された平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.21。旧称号規程のグループも101系の形式に編入されている。
車体は雨樋が埋め込みから外付けに変更され、側引戸の窓と戸袋窓はHゴム支持に変更された平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.16。通風器は72系と同様のグローブ型となった。主電動機は定格回転数を上げたMT46A形となり、主制御器も保守の容易化を図ったCS12A形となった。台車はプレス構造を多用した量産型のDT21形となり、試作車のDT21形はDT21X形に改称された。
パンタグラフは初期車はPS13形であるが、増備途中より153系と同じくPS16形が採用された。先頭車の標識灯は初期車では電球を乗務員室内から交換する方式であったが、後期車では車外から交換する方式に変更された。
当初は全電動車による高加減速運転が構想されており、電動車のモハ90形4車種（後のモハ101・100形とクモハ101・100形）のみが製造されていたが、全電動車運転は変電所容量やコスト面から困難となったため、1958年以降は付随車のサハ98形（後のサハ101・100形）が製造された平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.19。車体と機器類は将来の電動車化を考慮した構造であり、台車もDT21T形となった。1960年からはクハ101・100形も製造されたほか、サハ101・100形には電動発電機と空気圧縮機を設けた200番台も登場した。
全電動車化の見込みがなくなったことから、1963年度以降はサハの製造はサハ101形に1本化されたほか、サハ・クハの主電動機点検蓋やクハ100形のパンタグラフ取り付け台などの電装準備工事は廃止された。1965年度からはサハ101形、クハ101・100形とも完全な付随車・制御付随車として増備されることになり、台車もDT21T形から付随車用のTR64形に変更された平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.24。1964年以降は特急形電車151系の181系化改造で余剰となった主電動機を流用した電動車も製造された編集部「101系電車形式集」『鉄道ピクトリアル』2002年11月号、p.30。
サハ100・101形200番台
中央線快速電車は1960年（昭和35年）に6M4T化が実施されたが、編成が基本編成7両（4M3T）+付属編成3両（2M1T）となり、基本編成中の電動発電機（MG）と空気圧縮機（CP）の所要数が不足するため、MG・CP付のサハ101形・100形が登場し、番台区分上200番台が起こされた。サハ101-243以降は電装準備車ではなく完全な付随車となっている。
後年片町線に配置されたサハ101-258・281・289・100-241 - 244についてはMGとCPの撤去が行われ、基本番台のサハ101-146 - 148・100-108 - 111に編入された。 サハ101-201 - 301、サハ100-201 - 244
クモハ・モハ100形800番台
1951年に発生した桜木町事故などを契機に、直流1,500 V電化区間におけるパンタグラフ折畳み高さと架線の間の距離は最低限250 mm必要との基準が設けられ平石大貴「101系電車のプロフィール」『鉄道ピクトリアル』2013年4月号、p.23、トンネル断面の小さい中央本線の高尾以西では低屋根車が導入されていた。中央本線高尾以西の臨時列車での運用に用いられていた旧形国電を置き換えるため、101系でもパンタグラフ取り付け部の屋根高さを低くした低屋根構造の車両が投入されることになり、1961年（昭和36年）にパンタグラフを備えたクモハ100形・モハ100形のみが800番台として登場した。
車体は0番台に準じているが、401系モハ400形などと同様にパンタグラフ設置部の屋根高さが3,496 mmに下げられた。低屋根部分は扇風機に代わってファンデリアが備えられ、車外の屋根部には吸気グリルが設置された。国鉄時代末期までは全車武蔵小金井電車区に配置されていた。1985年に中央本線で101系の運用が終了した後、モハ100形808 - 810が鶴見線で運用されたほか、大井工場入換車「たんぽぽ」の改造種車も800番台である。 クモハ100-801 - 806、モハ100-801 - 811
回生ブレーキ試作車 変電所容量などの問題により当初目指した全電動車方式での投入が困難な情勢となったため、101系に代わる通勤電車を設計することとなり、その仕様決定に必要な電力回生ブレーキの試験車として1960年（昭和35年）にクモハ100形・クモハ101形の制御電動車同士の1ユニットのみが試作された。
この試験の結果、常用回生ブレーキは制御機器の重量増・保守困難・回生失効の問題などが挙げられ、導入は見送られた。当時は半導体技術が未熟であったため、磁気増幅器を用いた回生であったことが挙げられる。しかし、磁気増幅器を使用した抵抗制御車の常用回生ブレーキ車は古くは既に戦前に登場しており、101系のような大量輸送向けの車両としては小田急2600形電車が製造され、2004年まで活躍していた。
形式間改造車 クハ101・100形910番台