1960年代中期以降、国鉄は車両の冷房装置搭載が本格化した為、急行型気動車キハ58系の冷房問題に頭を悩ませていた。DMH17Hディーゼルエンジンが低出力であるという根本的問題を抱えており、急勾配線で運用される場合には、走行用エンジンの基数確保と冷房電源供給エンジン搭載スペース確保との相反する制約に伴う、出力不足の問題が顕著となった。
そこで国鉄が当時開発したキハ91系(キハ90系)をベースにエンジンの増強を図った車両として、キハ65形を開発した。
運用はキハ58系の増結として主に使用された。
国鉄民営化後はその高いエンジン出力からおもにジョイフルトレインに改造されることが多く、中でもJR西日本のエーデルシリーズは原型を留めない改造であった。