1962年に信越本線の碓氷峠用に補機用のEF63と共に54両製造された機関車である。そのためEF63との協調運転ができるように設計されている。新系列直流F型機関車としては初めて正面に貫通扉を設け、台車は動輪が3軸×2の仕様となった。
また当初は自重を92tに抑える目論見があり、屋根や屋上モニターにガラス繊維強化プラスチックを使用して軽量化を図ったが、ほどなく信越線内が高規格化されてしまい、逆に死重を積む羽目になってしまい余り意味をなさなかった事例もある。なお、EF64は当機やEF63を設計の母体として、横軽用の装備を撤去のうえ機構を整理、高速対応化した汎用勾配線機である。
貨物列車の減少や、首都圏と北陸圏は信越線より距離の長い上越線経由の方が早く到達でき、かつ長編成が組めることから、誕生から20年余りたった1984年には約半数が東海道、山陽本線のEF58用の荷物列車の置き換えで転出したが、1986年には荷物列車が廃止となったことで全廃され、本来の信越線運用も激減し、JR化した際に引き継がれたのはわずか6両で末期は3両となり、細々と臨時列車運用についていた。これも1997年の長野新幹線開業による碓氷峠区間の廃止で、完全に用途を失い、1999年までに廃車となっている。
なお当初の目的となった東海道、山陽線の運用では元々高速対応でない車両を、長区間高速で走らせたことから、故障が相次ぎ代走でEF58やEF65（この場合暖房はかからない）が走ったほどであった。また、JR化までには全廃されていたが、一部が1988年の瀬戸大橋開業前の試運転では死重として使用されており、登場時にはまず想定していなかった鉄路を伝っての四国入りも果たしている。
碓氷峠鉄道文化むらなどで3両が静態保存されている。
