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早期採用木製車體ホデ6100型、ホデ6110型，以單輛運行。但1923年關東大地震燒毀了許多列車，於是量產了デハ63100型來取代。

但是木製的列車在車廂數量增加後，造成的震動十分嚴重，甚至在1924年在恵比寿～渋谷間發生了追撞意外，由此經驗日本政府得到了教訓，得知了木製車體的缺點後，往後的車體都以鋼製車體（此時期塗裝為咖啡色）為主了。

新性能電車 - 90系電車登場

昭和20年(1945)時，山手線以73系電車左為主力運行，但是因車體太過沈重等等因素下，日本國鐵於是就在1957年發表了90系電車（未來的：国鉄101系電車）來取代。90系電車在當時是一項創舉，與過去的電車相較之下有了一條明顯的分水嶺，稱為「新性能電車」，這一切歸功於一項關鍵的技術：MM’ユニット方式，這項技術將過去每車都要配置許多機器（如：主制御器、電動発電機（MG）、空気圧縮機（CP）等等），分配方式改為每兩輛車廂一組，透過組合的方式來達到車體輕量化與減輕保養負擔等等的優點，這項創舉不僅用於一般的通勤列車，特急、急行甚至是新幹線都用上了此技術。

90系在隔年以101系的身份投入量產，率先投入中央線運營，並於1961年正式投入山手線運營，此時間塗裝改為黃色，給人一種清新的感覺。

但是其實101系是設計給中長程的中央線使用的，對於短程的山手線來說，加速這件事較為重要，於是1963年便推出了改良版的103系，將馬達尺寸從事和高速運轉的1對5.6改成注重穩定加速的1對6.07。也在此時，塗裝改為黃鶯（黃綠）色，沿用至今。同時配合了新宿、代々木、渋谷、巣鴨等車站的月台拓寬工程，車輛編組也從8輛提升為10輛，更加地解決了車站擁擠的問題。

103系也是日本國鐵有史以來生產過最多量的列車，甚至到今天在關西地方還看得到103系電車運行的身影（西日本地區及九州的筑肥線）。

「節能」的山手線 - 205系電車

因應時代的氛圍，人們對環保的意識逐漸高漲，於是日本國鐵於1979年推出了201系電車，是日本國鐵首款使用電機子斬波器、再生制軔及達到「節能電車」指標的車輛。簡單的說就是讓馬達在運轉時可以利用車體慣性的特性來帶動輪軸轉動並切換成發電機模式，以達到能量回收的作用。但是201系的製造成本實在是太高了，而且日本國鐵末期出現財政困難，無法大量使用電機子截波器，於是在1985年205系電車正式問世，導入了含空氣彈簧的「無枕梁式轉向架」搭配「磁場增幅激磁控制」的全新的系統，全車身以輕量化不銹鋼製成。

205系誕生後即投入山手線運營，取代當時在山手線上運行了22年的103系，並於三年後(1988)完成全線統一為205系電車運行。

11輛編組的山手線 - 6門的「サハ204型」登場

1990年，為了解決乘客數過多的問題，JR東日本發表了サハ204型電車，採用全新的設計，在巔峰時間座椅可以折起來以容納更多乘客，在本來站間就很靠近的山手線上，犧牲舒適度來換取更多容量，實驗證明這是一個好的方法，於是就在當時每班10輛編組的列車上掛上一節サハ204型，於是山手線正式進入了11輛編組的時代。

精益求精的JR時代 - 「E231系500番台」

原本以為重視性價比的205系會成為通勤型電車的新規範，但是求好心切的JR東日本已經在著手進行新款電車的開發了，於是1999年，E231系問世，2002年投入山手線運行。

E231系的最大技術突破是把車上所有機器（緊急制軔系統除外）的控制裝置均整合至一個稱為列車資料管理系統（Train Information Management System，簡稱TIMS）的系統。而所有機器的運作數據均會透過RS-485纜線傳送回系統，並顯示在主控台的TIMS專用液晶顯示器上。

在製造層面，這個系統大幅度簡化了車廂的配線，故能節省工時和車輛的製造成本。在行駛層面，駕駛和乘務員均能通過屏幕隨時得知列車的情況，而系統的自我診斷功能也能協助首班車車長簡化離廠前的檢查程序。維修方面，系統的自我診斷和運作紀錄功能可協助修理員了解裝置的情況和找出問題所在，令檢查和維修工作更快完成。

500番台首次引入的液晶顯示器。而LED顯示板也有單行顯示和兩行顯示兩種版本，而兩行的LED顯示板則會在上行顯示下一站站名和列車行駛方向，下行則顯示可轉乘路線、延誤資訊等資料。

至於對JR東日本內部，E231系最重要的意義是確立了列車資訊管理系統的技術基礎。這個系統其後在JR東日本開發的新列車被大量採用。而500番台安裝的液晶體顯示器其後也逐漸成為通勤列車的標準配備。

從E231系開始，車廂的形狀也從過去的與地面垂直改成了有點弧狀，由下往上漸寬的樣子，與過去垂直車壁相比，每節車廂約能多容納10人，全編組約可多容納150人，算是一大貢獻。E231系的車廂高度也由1180mm降為1165mm，更加地靠近月台的高度1100mm，也為大行李以及行動不便乘客增加了一點方便性。

而在環保節能方面，E231系也表現卓越，獲得了許多獎項，於是後來山手線也於2005年完成全線E231化的工作。

廢止6門車廂 - 統一東京鐵路規格

2010年時，山手線各站開始建立月台門，但是使用6門車廂的山手線與4門車廂的京濱東北線並不相容，而且同時也歸功於東京メトロ的副都心線的通車與湘南新宿ライン的擴充，此時的山手線對於6門車向的需求已不如以往，於是山手線便與京濱東北線規格統一為4門車廂。

最新車廂登場 - 「E235系」

E235系量產的控制系統是採用SiC-VVVF。 E235系採用了比E231系和E233系更先進的列車管理系統，就是TIMS的改良版INTEROS，資料傳送速度為25mb，即是E231系的十倍，E233系的2.5倍。INTEROS更可以將列車的狀態供機廠或車務控制中心參考，當列車發生故障時，控制中心和機廠將會即時收到消息，方便日常維持和保養以及更有效率處理突發事故。列車於制軔時，INTEROS系統會將回生制軔作優先處理，好處是更節省電力。

這款列車的車底和車頂設有閉路電視鏡頭、軌道偵察系統及架線偵察系統，當列車駛經軌道或架線有異常情形的路段時，會將資料傳送至行控中心，使行車方面提高了安全性及維修方面有更高的效率。

且採用「獨立M車方式」編成，E235系0番台（山手線）為11輛編組，包括6輛動車（”M”）和5輛無動力拖車’（”T"）。與過去的組合方式相比的好處就是在車廂增減上的彈性又更大了。E235系也在2020年於山手線上全面取代了E231系。

為了防止人為失誤 - 引進「D-ATC」系統

列車自動控制系統（Automatic Train Control, ATC），是列車保護系統的一種。ATC系統可以整合各種內外部的資訊並對列車速度作控制，當中包括影響列車速限的資訊，例如路線速限、閉塞資料等。與以往的ATS系統相比，雖然兩者亦可以在駕駛員不遵守訊號時強行停止列車，但ATC可以根據上述各種資訊，以更細緻的剎車曲線停止列車。

當時是因應在1964年通車的東海道新幹線開發。因為新幹線列車的行駛速度很快，駕駛員看不清鐵路旁的鐵路號誌機，因而開發可以在列車上看到閉塞情況的情報系統。發展至今已有許多種衍生型式，較新型的ATC可能會加入計算剎車曲線、移動閉塞等功能。至今已在多條鐵路中使用，在一些班次極頻密的路線中，均會換上ATC系統，以提供更密集的班次和提高系統的可靠度。