ただ、車体重量が大きく出力荷重が確保できないという理由から、485系の運用実績のある路線のうち奥羽本線板谷峠区間には夏季で運転上の不安が少ない時期という条件が課せられていた。同区間での営業運行実績はL特急「つばさ」臨時増発、臨時急行「シュプール蔵王」、急行「津軽」の電車化初日(仙山線経由に変更される直前1度のみ)等で確認されている。

山陽本線系統と東北本線系統の昼行・夜行特急に多く運用されたが構造上普通車座席はシートピッチこそ旧型客車の普通列車グリーン車（並ロ）相当ではあったものの、構造は急行以下と同じ向かい合わせ座席のクロスシートとなるため利用者からは敬遠される場面もあった。

山陽新幹線・東北新幹線の開業後は昼行特急の廃止、夜行特急の削減・廃止により本来の用途を次第に失い余剰車が増え、1984年から85年にかけて一部車両が近郊形車両（419系・715系）に改造された。

なお、客車特急を583系に早期に置き換えていれば高速化できていたと云う意見もあるが、当系列は昼夜兼用が前提の高度成長期独特の車種であり、上下幅が狭隘な3段寝台が標準で寝台のセッティングが手動（寝台収納部は見かけ以上に複雑な構造で保守に手間もかかる）であり、人手は省力化が進められた14系や24系に比べて多く必要であるなど1980年代初頭には設備が陳腐化し、昼夜問わずの酷使で老朽化が無視できない状態になる（食堂車などは厨房設備が酷使で劣化し、大半の列車で営業休止となっていた。連結を継続していたのは補助電源装置（MG）の関係であり、サロ581への移設により編成から外され早期廃車となっている））など東北新幹線開業前には15年を経たずに持て余す状況となっていた。

581系と583系の違い

全般

東日本地区の降雪地域を走行するため、耐雪ブレーキを装備。

電動車ユニット

581系として新製増備された電動車は昭和42年新製分のみ。昭和43年新製分からモハネ583-モハネ582 となる。なお、一部誤解されがちだが583系ユニットの新製開始は485系と同年である（50/60Hz共用機器は架線試験車クモヤ495系で先行試験）。

変更点は

交流機器を50Hz/60Hz共用品に変更。
主制御器・主電動機を耐寒大雪構造のものに変更。
モハネ580形の車掌室配置がモハネ581形と進行方向に対して同じ（海側）で使いづらかったため、モハネ582形では床上冷房装置と入替え。

となる。ただし581系ユニットも山陽新幹線開業後の日本海縦貫線転用の際に耐寒大雪構造の電装品に交換している車両もある。

ただ、485系と異なり、制御電動車化改造などを行っていないため、電動車ユニットの組み換えを行っていないので、パンタグラフ車の車掌室の位置と構造で簡単に見分けられる。

非電動車

昭和43年の段階では、交流機器に関係のない非電動車（クハネ581形・サハネ581形・サシ581形）は形式581で引き続き新製された。昭和42年新製の時点では完全モノクラス編成だったため、サロ581形は昭和43年新製分からである。

ただし、583系としての新製分からは降雪地域を走行する（ことがある）関係から、ブレーキの他、

クハネ581形のAW5警笛カバーを防雪シャッター付に変更。
客室扉・給水管等に凍結防止ヒーターを設置。
青森運転所(盛ｱｵ)配置分は常磐形列車防護無線を搭載。

クハネ581形の1967年新製分の一部が419系に改造されたが、北陸本線で運用するにもかかわらず、AW5警笛カバーが防雪構造になっていなかったため、お椀型カバーを外付けする簡易防雪構造にされた。

クハネ583形

クハネ583形は昭和45年新製分から。

クハネ581形は運転台背部床上に容量150kVAの電動発電機（MG）と空気圧縮機（CP）を搭載していた。

↓がクハネ581形

クハネ583形は、一般車（近郊型・通勤型）冷房化の為に開発された210kVAのMGを床下搭載とし、CPの配置も変更（床上機器室→助手席下デッドスペース）され、床上機器室が廃止されて1区画分増設、定員が着席8名・寝台6名増となった。

ただし、東北特急最大15連化の為、150kVAでは容量不足となることから、クハネ581形も順次210kVA MGに換装された。このMGは容量は大きくなっているが、サイズは小さくなっているため、スペース拡大の必要はなかった。

クハネ583形は大部分が東日本地区に配置されたが、皮肉なことに、この大容量MGは、本来首都圏の103系などの為に開発されたものだったため、降雪の激しいときにMG不調のトラブルが相次いだ。このトラブルは、床上機器室搭載のクハネ581形より床下搭載のクハネ583形でより深刻だったと言われる。

サロネ581形

A寝台車(ロネ)は当初、昼間時にグリーン車(ロ相当)として運用できる適当な形態がない事から新製されなかったが、1985年に「きたぐに」への投入の際、客車時代にあったA寝台連結の需要があったことから、サロネ581がサハネ581からの改造で登場している。

かつての臨時「雷鳥」「しらさぎ」等の昼間運用の際は、非営業車扱いのサロンカーとして運用されていた。

分割民営化後

国鉄分割民営化時にはJR東日本・JR西日本・JR北海道に承継された。

JR東日本には東北特急用に新製された、クハネ583を連結する比較的車齢の若い編成が継承された。

JR西日本には北陸本線系統用に製造された電動車ユニットに、山陽本線系統で余剰となった581系の付随車・制御車を組み合わせた編成が継承されている。

JR北海道には国鉄民営化直前に道内の列車増発目的でサロ481と共に渡道したサハネ581などが渡道し継承されたものの、結局は「クリスタルエクスプレス」用のキサロハ182-5101にサハネ581の台車1両分が使用されたのみでその他は1990年12月に全て処分されている。

固定クロスシートゆえ晩年は極端な長距離には基本投入されなかったが、運用の都合から1998年1月29日の大阪発と翌日の青森発に西日本車10連が特急「白鳥」に充当されたことがある。時は1990年代後半であり、乗りとおす乗客はすでにさほどいなかったであろうが、かなりシビアな旅であったことは想像に難くない。

JR東日本での淘汰が先に進んだため、前述の通り比較的新しく定員の多いクハネ583を含む編成が先に廃車されてしまい、クハネ581の方が多く残る(クハネ581：JR西日本車11両 / クハネ583：JR東日本車4両+JR西日本車1両の計5両)という、逆転現象を引き起こした。2013年 1月、「きたぐに」は完全に廃止され、JR西日本の583系は同年7月までにクハネ581-35を残して全車廃車されたが、クハネ581-35も梅小路へ移動後に車籍抹消され(京都鉄道博物館にて静態保存)、正真正銘西日本管内からは583系は消滅した。この時点で現存する583系はJR東日本の1編成となったが、この編成は団体列車としての使命を全うし、2017年4月に運行終了することになった。なおこの車両は団体列車としての使用を見越して徹底的な修繕と延命工事が行われていた。団体列車としてなら設備面で多少見劣りしても問題なく、電化区間ならどこでも走れるという性能や昼夜問わずに運用可能という性能から使い勝手が良かった模様。片側だけ寝台をセットして向かいの座席と共にグループ客で使ってもらう、という使い方もされたようである。

※この特性から581・583系は極端に走行距離の積み上げペースが早く（稼働日は1日20時間程度、距離にして最大1500km走行）、また冬場の気候差の大きい地方を行き来していたことから（関東～東北、九州～近畿/東海～北陸）老朽化も早かった。

583系充当列車

581系と併用された列車は581系の項目を参照。

夜行特急列車

愛称(※は臨時列車、△は代走)	走行区間
はくつる	上野駅～青森駅
ゆうづる	上野駅～青森駅
※あけぼの	上野駅～弘前駅・青森駅

夜行急行列車

愛称(※は臨時列車)	走行区間
津軽	上野駅～青森駅

昼行特急列車

愛称	走行区間
はつかり	上野駅～青森駅
みちのく	上野駅～青森駅
ひばり	上野駅～仙台駅
△白鳥	大阪駅～青森駅
※つばさ	上野駅～秋田駅

余談

昼夜兼行で使用可能な寝台電車計画の構想は1960年代前半に持ちあがっている。この時は153系急行形電車ベースの10系客車に準じたものでモックアップまで作られたが、夜行運転だけの車輛は東海道新幹線や山陽新幹線の開業後に投資の手戻りとなるため中止となった。しかし、1980年代半ばから583系が急行に転用されたことでこの当時の構想が実現した格好になっている。
1998年から製造された285系についても九州向けに期待された交直流仕様は製造されずに終わるなど、電車と寝台の需給のすり合わせはやはり難しいようである。
初代『電車でGO!』に収録されている山陰本線の二条駅に、非電化区間にもかかわらず本系列が留置されている。これは国鉄末期に実際に余剰車が疎開留置されていた事実に由来している。
早期に廃車された食堂車は民間に売却され、料理店などに転用された例が多かった。大半は老朽化とともに解体されてしまったが、八戸に残存しており解体寸前であったサシ581-31は内装および厨房が原型を留めていたということから、2023年に「ポッポの丘」のクラウドファンディングにより陸送費用が集められ移送が決定、2024年3月18日に現地を出発、3月21日に到着。以後3月31日より公開される。