山陽本線小郡-下関間の直流電化開業と鹿児島本線門司港-久留米間の交流電化開業に合わせて1960年に常磐線用の401系とともに製造された。4両編成23本が製造された。
当初から南福岡電車区に配置されたが、最初の試運転は北陸本線で実施した。しかし営業運転開始後に関門トンネルや海岸線沿いを走行した際に付着する海水の塩分や塵害による汚損などが原因の絶縁破壊事故が起き、一部列車を客車や気動車で代走させたケースがある。
モハ420-21～23は、1964年に151系の九州乗り入れに対応する電源車サヤ420形として製造された。下関～博多間において機関車と151系の間に挟まれる形で連結された。なお、サヤ420形は1965年に481系が投入されたため本来のモハ420形に改造され、別途製造されたモハ421-21～23・クハ421-61～66と4両編成3本に組成された
1978年に全廃された量産先行車、1987年までに全廃された量産低運転台車を除く車両がJR九州へ継承されたが811系・813系の増備により1996年までに全廃された。なお、低運転台のクハ421を含めた1編成が廃車後に早岐駅構内に留置されていたが、1995年ごろに保存されることなく解体された。
