10系客車では、従来の車両で台枠上の左右両端に2本、中寄りに2本あった梁のうち中寄りの2本を省略して骨組を梯子状とし、床を構成する部材に縦方向への曲げ強度が強い波型材を使用して必要な強度を確保している。とはいえ、この設計では完全に台枠がなくなった訳でもないため、純粋なモノコック構造ではなく「セミモノコック構造」とされることが一般的である。

この構造の実用化で、日本の鉄道車両の車体設計が大きく進歩することになった。

また10系客車では、外板厚が従来の2.3mm→1.6mmと薄くなったが、それでも必要充分な強度は確保できるとされた。

車内

内装に使われる金具類、つまり帽子掛などは従来車の砲金から軽量なアルミニウム合金製に変更された。

また、内装板は白系の樹脂板となり、大きな窓と相まって旧来の車両の木材(日焼けで深い色合いとなる)にニス塗りの車内より明るい印象となった。

1960年代には、旧来の車両にも体質改善工事が施工されて、座席枠を薄青、壁面をクリーム色に塗って印象を近づけている。

従来の車両で客室に隣接していたトイレは車端部へ追いやり、間にデッキを挟むことで客室内への臭気流入を軽減する工夫もなされた。

台車

座席車には軽量化を狙って新たに開発されたTR50が、寝台車その他の車両にもその派生型が使用された。

戦後に開発されたTR37系列の場合は1台車あたり6トン近くに達したが、TR50で4トンと、しめて2~3割は軽くなったことになる。

とはいえ、このTR50。座席車による通勤通学列車を見込んでばね定数を大きく取ったものの、それが祟って乗り心地がよろしくなくなったそうである。特に10系客車の場合は車体重量がかなり軽く、空車/積車状態の重量変化の比率が大きくなるため、影響が顕著であった。

形式

座席車

ナハ10
ナハ11
ナハフ10
ナハフ11
ナロ10→オロ11

寝台車

ナハネ10→ナハネフ10→オハネフ12
ナハネ11→オハネ12
オハネ17→スハネ16
ナハネフ11→オハネフ13
オロネ10
オロネフ10
ナロハネ10→オロハネ10

食堂車

国鉄長野工場と高砂工場で戦前製客車の台枠を流用して製造された。

オシ17
オシ16

郵便車

郵政省所有の郵便車は、総数こそ少なかったものの製造が長期間に渡ったため、設計を大きく変えた車両が存在する。

オユ10
オユ11
オユ12
スユ13
オユ16
スユ16
スユ15

事業用車

939-201

新幹線で長期間に渡る線路工事の際に作業員の宿泊・休憩所として使用できるようオロハネ10から改造された工事車。

車内はA寝台区画を休憩室に、他の部分を機材室とし、発電機・準備室・流し台・シャワー・資材置き場・前方監視室などを備える。1983年廃車。

オヤ10

在来線で長期間に渡る線路工事の際に作業員の宿泊・休憩所として使用できるようオロネ10から3両が改造された工事車。

1・2は車内は寝台スペースと事務室、食堂・調理室を備えており、妻面貫通扉上部にはオヤ41形へ冷風を送るダクトが設置されている。

3は単独使用を前提に厨房と一体化した食堂とシャワー室を備える。

オヤ17

オシ17から改造された教習車。1は講習室・高圧機器室・シミュレータ運転台を備え、2はEF81のシミュレータ運転台、講習室、信号取扱室、車掌室を備える。

碓氷峠鉄道文化むらには1が（オシ17名義で）保存されており、教習スペースが当時のまま残されている。

ナヤ11

ナハフ11とオロネ10から3両が改造された教習車。1・2は交直流電車の、3は電気機関車の教習に用いられた。

マヤ10

車両性能試験用の試験車で、電気機関車のブレーキ性能や誘導障害試験などに広く用いられた。

客車でありながらパンタグラフを備えており、電化区間では架線から電源を取る。

スヤ11

電気機関車・ディーゼル機関車・客車・貨車の強度振動試験用試験車。こちらにはパンタグラフはない。

運用

軽量で牽引定数を稼ぐことができるため、信越本線などの山越え区間がある列車や特急「かもめ」をはじめとする優等列車にも多用された。

しかしながら、本車の調達が進められた1950年代末~60年代は動力近代化が進められていた時期で、1959年には早くも座席車の製造が終了。その余波で、新型や状態の良い車両を優等列車に廻すというセオリー通りにならずに新車から普通列車に充当されたものもあった。

一方で設計段階で経年変化の予測が不十分だったためか、1970年代には早くも状態が悪い車両が出始めている。

外板厚を3割程度減らすなど野心的な設計ではあったが、これは結果的に腐蝕による肉痩せや金属疲労による強度低下を勘案した上で充分であったかは疑問が残る。一方で、それまでの車両と違って外板をも構造体とするモノコック構造では、外板の状態の良し悪しも車体強度に影響するため、状態が余りにも悪くなれば使用できなくなる。(時代が下ると高強度と耐候性を持つ車両用耐候性高張力鋼板の開発や設計手法の進歩で、1.6mm厚でも充分な耐久性が実現した)

特に1段下降窓であった寝台車では、窓の下部から侵入する雨水による腐食対策が不十分だったため状態悪化が顕著であった。

1985年3月のダイヤ改正で全車両が定期運用を終了。前身となる旧型客車がイベント用に若干数がJRグループへ継承された一方、本形式の承継はJR東日本の事業用車2両のみで、最後まで車籍が残っていたナハフ11形も1995年に除籍された。

また、私鉄や第三セクターへの譲渡も行われなかった。