基本番台（１〜７９）

昭和３０年代後半、３３．３o/ooの勾配が連続する奥羽南線（福島−米沢間）は輸送力を増強する必要に迫られていた。当時、奥羽南線にはＥＦ１５を電力回生ブレ−キ付きに改造したＥＦ１６が活躍していたが、このＥＦ１６の増備による対応では、数年で線路容量が行き詰ることが明らかであった。このため、ＥＦ１６に代る牽引力の大きい新形機関車を開発し投入することになり、ＥＦ６４の開発が行われた。ＥＦ６４の開発は、将来上越線・中央本線への増備も考えられたため、２０〜２５o/oo勾配線区にも粘着性能のよい２０〜３３o/oo勾配線区用標準機関車の開発として行われた。

ＥＦ６４は基本的にはＥＦ６２・６３をベ−スに横軽（６６．７o/oo）の特別装備を省き、軸配置変更（Ｃｏ−Ｃｏ→Ｂｏ−Ｂｏ−Ｂｏ）、歯数比の変更（１：４．４４→１：３．８３）、抑速発電抵抗ブレ−キの改良、耐寒・耐雪装備することにより作られた。なお、ＥＦ６４で電力回生ブレ−キではなく抑速発電抵抗ブレ−キが採用されたのは、福島−米沢間の変電所の容量や他線区での使用を考えたためである。

先行試作車１号機（東芝）・２号機（川崎車輌）は昭和３９年１１月に落成し、１２月から福島−米沢間で性能試験を行ったところ、期待された性能が安定して得られた。このため同年末から使用、昭和４０年７月から量産が行われ、昭和５１年までに７９両が製作された。現在は、中央本線・篠ノ井線を中心に信越本線・南武線・武蔵野線等で主に使用されています。

１０００番台（１００１〜１０５３）

昭和５０年代中頃、上越線で使用されていたＥＦ１５・１６・５８は車齢が３０年に達し老朽化が進んでいたため、代替機関車によりこれらの機関車を淘汰することになった。上越線は、２０o/ooの勾配が約４０ｋｍおよぶため、代替機関車には抑速ブレ−キ付き機関車が望まれ、ＥＦ１６に使用された電力回生ブレ−キが検討されたが、 ＥＦ１６の電力回生ブレ−キ使用状況、地上設備、開発期間、中央線などでのＥＦ６４の基本番台の実績等により、抑速発電抵抗ブレ−キ付きＥＦ６４を増備投入することになった。

しかし、 ＥＦ６４の基本番台が登場してから１６年経っており、技術的進歩、検修作業性・乗務員の居住性の改善、使用線区（上越線）に合わせた設計とするため、 ＥＦ６４の基本番台をマイナーチェンジした１０００番台を開発し投入されることとなった。基本番台からの主な改良点は、抑速発電抵抗ブレ−キ性能の向上、耐寒・耐雪装備の強化、メンテナンスフリー化、乗務員居住空間・計器類の配置の見直し、騒音の防止対策が行われた。昭和５５年に１号機（１００１号機・東洋）が登場し、昭和５７年までに５３両が製作された。現在は、上越線を中心に信越本線・高崎線・武蔵野線・東北本線・青梅線・南武線・根岸線・伯備線等で主に使用されています。