設計は国鉄の旅客車開発グループの手になり、国鉄初の本格的な長距離電車として、比較的長時間の乗車と高速運転を配慮した構造となっているのが特徴である。

基本的なメカニズムは、大正・戦前以来引き継がれて来た国鉄電車における伝統的設計の延長上にあるが、大幅な刷新が図られており、70系、72系全金車と共に、あらゆる面から見て「国鉄における吊り掛け駆動方式旧形電車の集大成」と呼ぶべきものである。

従来の電車は短編成が原則で、小回りが利く様に「モーター付車はすべて運転台付き」とされていた。これに対し、客車列車の置き換えを目的とし、長大編成が前提となる80系では「先頭車はモーターなし、運転台のない中間車だけにモーター搭載」とする「中間電動車方式」を採用し、乗り心地やコスト面で改善を図っている。さらに大出力モーターの搭載を活かし、当初は編成内の電動車と付随車の比率を「2:3」とする経済編成を基本とした。

旅客サービス面ではクロスシートとデッキ、そして電気暖房を備え、当時の標準的な客車に見劣りしないハイレベルなアコモデーションを備える車両として完成した。車体については台枠構造の簡略化で軽量化を図った程度で、内装は戦前同様に木製、照明も白熱灯であった。なお本系列の半鋼製車については、窓框高さが客車や従来の電車よりも若干高い設計であった。三等車の便所についてはデッキ側から出入りする構造として客室との遮断を図っている。

1956年の東北・高崎線用増備車<ref>100（モハ80以外）・200番台（モハ80のみ）が該当する。</ref>では耐寒設計を導入、1957年製の準急用最終増備車（300番台）は10系軽量客車の開発（1955年）で得られた技術を活かしたセミ・モノコック構造の軽量車体となり、内装も完全に全金属化、当初から蛍光灯照明となっている。

通常運転の最高速度は95km/h（後年は幹線区で100km/h）、設計最高速度は110km/hであったが、1955年には東海道本線での速度試験で125km/hの最高速度を記録している。MT比2:3における起動加速度は1.25km/h/sと低いが、客車列車に比較すれば飛躍的な性能向上であった。