水戸線初の電車は401系交直流近郊型電車（1960年に常磐線にまず誕生）が最初。現在も交直流電車を使用していますが、電化するには天体的要素が絡んでいたのです。 それは、茨城県八郷町にある気象庁が管轄する柿岡地磁気観測所（地球電気や磁気嵐等の観測）があり、直流方式による電化は地磁気の観測上、データに影響を与えることから観測所から 半径35km圏内は交流電化で進められました。その結果、水戸線は交流電化で進行（常磐線は取手以北が交流電化）。
しかし、JR小山駅構内が直流電化設備の為、交流区間をまたがって直通できる電車として交直流電車として登場したわけです。直流と交流の切り替え区間 （デットセクション）が小山〜小田林間の小山から2km程の所にあり、水戸方面は交流へ、小山方面は直流へそれぞれ切り替えを行っています。

その後増備を続け、1966年には出力アップの403系が登場。1971年には50Hz/60Hz両用の415系が、1986年にはステンレス車体の415系1500番台のそれぞれ交直流近郊型電車が登場し、 401系はつくば万博を機に全車廃車となりました。

そして2005年7月9日には、常磐線に新型車両E531系交直流近郊型電車が営業運転を開始。このE531系導入に伴い、2005年8月より廃車および編成組成変更が進んでいる状況です。水戸線内はE531系営業運転開始前に試運転（5両）で入線し、2006年8月26日より2007年春までの期間限定で運転開始（2007年3月8日に運転終了）。 2007年2月27日からはE531系3運用のうち1運用をE501系による運転形態に変更され、3月改正時からは残りの運用もE501系になっています。
このE501系は1995年頃から常磐線土浦以南に登場。しかしE531系を常磐線に集約する為土浦以北及び水戸線に転用。これにより行先方向幕と種別表示幕が一新（青を背景に白の文字）され、トイレも設置されています。

E531系に主役を奪われた415系は、2007年3月17日に約40年にわたり常磐線友部以南と水戸線での営業運転を終了。その1週間後の3月24日には人数限定で水戸〜いわき間にて事実上最後の「さよなら運転」を実施。 多くのファンに見守られながら最後の花道を飾りました。
今は順次廃車解体作業に着手し、通常であれば福島・郡山市にある郡山総合車両センター（以下KYと略）で実施するはずも、周辺住民らによる解体時に発生するホコリと騒音の発生が指摘され一時中断。引退から約7ヶ月後の2007年10月より鹿島臨海鉄道に委託し 解体を再開。在籍両数も100両を切り、徐々に数を減らしてきている状況にあります。

水戸線内の駅は小山を起点に友部まで16駅あり（小山・小田林・結城・東結城・川島・玉戸・下館・新治・大和・岩瀬・羽黒・福原・稲田・笠間・宍戸・友部）、一部の電車は常磐線の 水戸・勝田・日立・いわきまで直通運転しています。

☆〜最新情報〜☆

2008年7月現在、車両は415系1500番台・E501系が使用されていて、4両編成・5両編成の2種類で運転されています。比率は4両編成が全列車の84%、5両編成が16%です。

ステンレス車体の415系1500番台は置き換え年数に達していないため残るものの、車両不具合等により17両の廃車（実質13両）を予定（2階建て試作車のクハ415-1901は廃車済み、他K525とK526、サハ411-1601・1701、モハ414・415-1502。K626編成は訓練車化）、403系・415系鋼製車と共に除々に淘汰されることになっています。

2007年1月23日頃より、E233系に標準装備されている優先席付近の吊り革（黄色いもの）がE231系や205系等に続き415系1500番台車にも波及。これまでの二等辺三角形タイプではなく正三角形タイプに交換され、K525・K526・K626編成を除く編成で交換が完了。（E231系や205系は車両中程の優先席付近の吊り革のみ正三角形だったりしますがｗ）
一方でE501系も全編成で吊り革交換が完了し、こちらはE233系と同等の吊り革が装備されています。
また、403系はK522編成に組み込まれていたクハ401-51が7/14に廃車回送され全廃に・・・。415系も残り8両となり、一部ではJR九州への譲渡（経営上813系増備困難？）が囁かれているようです。

項目	単位	車両形式
		401系	403系	415系	415系1500番台	E531系
周波数	Hz	50	50	50/60	50/60	50
屋根高	mm	3654	3654	3654	3670	3620
床面高	mm	1225	1225	1225	1180	1130
車体材料		鋼	鋼	鋼	ステンレス	ステンレス
電動台車形式		DT21B	DT21B	DT21B	DT50C	DT71
付随台車形式		TR64/TR62	TR62	TR62	TR235C	TR255/TR255A/TR255B
主電動機形式		MT46B	MT54/MT54B	MT54B/MT54D	MT54D	MT75
出力	kW	100	120	120	120	140
歯数比		4.82	4.82	4.82	4.82	6.06
制御方式		抵抗制御	抵抗制御	抵抗制御	抵抗制御	VVVFインバータ制御
ブレーキ方式	空気/電気	電磁直通/発電	電磁直通/発電	電磁直通/発電	電磁直通/発電	電気指令式/回生
パンタグラフ形式		PS16B	PS16B	PS16B	PS16H	PS37A
最高速度	km/h	100	100	100	100	130　（曲線通過+15km/h）
自重(M')	t	41.9	41.9	41.1	37.5	38.5
自重(Tc)	t	29.3	29.3	32.2	26.0	26.0
主MG・SIV	kVA	20	20	160	190	280

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