主電動機は戦前からの標準型であるMT30<ref>端子電圧675V時定格出力128kW、定格回転数780rpm（全界磁時）・1005rpm（60%界磁時）。</ref>をベースに、絶縁強化・冷却風洞装備などの改良を施したMT40<ref>端子電圧750V時定格出力142kW、定格回転数870rpm（全界磁時）・1100rpm（60%界磁時）。</ref>を装架した。当時の国鉄電車用として最強であり、既に1948年から63系で用いられて実績のあったモーターである。これは端子電圧差<ref>戦前の鉄道省時代には、送電時のロスによる電圧降下を1割と見込んで架線電圧を1350Vとし、モーター2個直列で使用することを前提に端子電圧を675Vとして主電動機の設計を行っていた。戦後は変電所から送り出す段階でその降下分を見込んで昇圧状態で給電し、架線から集電する段階で定格の1500Vとなるように変更されている。</ref>を考慮すると実質的な性能はMT30とほぼ同等だが、冷却機構の強化等で信頼性が向上していた。歯車比は同じMT40を装架する通勤形電車である63系の2.87に対し、高速性能を重視して2.56と小さく取っている。