　１１５系は昭和３１年から上野口で活躍していた８０系電車の後継として、昭和３８年３月にデビューした。すでに登場していた４０１系や１１１系と同じ３扉セミクロスシートの構造であるが、運用区間が上越線や日光線など寒冷地かつ降雪地にわたることから、耐寒耐雪構造となり客用扉の半自動扱いが可能である。また当時平行して開発された急行用１６５系と共通のメカニズムを採用したため、主電動機は出力増強形のＭＴ５４となったほか、下り勾配を一定速度で下ることのできる抑速発電ブレーキが装備されている。これによってほとんどの直流区間に入線が可能になり、後に全国各地に進出する土台になった。塗色は湘南色であるが、先頭車前面の塗り分けをＵカットとして１１１系と区別した。（０番台）
　最初の投入は宇都宮運転所の３４両で、続いて新前橋電車区にも投入。東北・高崎線の中距離輸送に威力を発揮し、次第に勢力を拡大していった。昭和４１年１２月には中央本線新宿口にもデビュー。勾配区間への対応から編成組成が変わり、クモハとサハが追加された。またスカ色が採用され、しばらくはこの二色が標準の塗色となった。これらは昭和４３年以降は混雑の続く電車急行の救済として、臨時急行（一部定期）にも用いられることもあったが、１６５系と性能を共通化したことで実現した珍事だった。
　昭和４４年１０月からは混雑緩和のため上野口で１５連運転がスタートし、両数も５００両を超えるまでになった。しかし沿線人口の増加に輸送力が追いつかず、昭和４８年１０月にさらなる増強のため３００番台が登場した。同車は１１５系初の冷房車であり、車体等に設計変更が加えられた。このグループの増備が進むと、初期の０番台車が長岡運転所、岡山電車区に転出し、地方線区進出の足がかりとなった。昭和５２年からは山陽地区の旧型国電を置き換えるため３００番台がさらに追加増備され、玉突きで広島運転所に０番台車が転入した。
　これと平行して地方線区の新性能化が推進され、このうち長野、新潟地区用として１０００番台が登場。耐寒耐雪構造をさらに強化し、クロスシートのシートピッチが拡大されるなど、以後の標準タイプを確立した。１０００番台は地方線区だけでなく、上野口の輸送力増強用としても投入され、同時期に投入された岡山地区とともに車両の冷房化を推進している。
　昭和５３年には１０００番台の耐寒設備を簡略化した２０００番台を広島地区に投入。同地区に初めて新製配置された電車となった。
さらに昭和５５年には御殿場線に０番台（新前橋区に１０００番台を投入して捻出）、昭和５６年に大糸線に１０００番台、身延線に２０００番台が投入され、旧型国電取り替え用の増備はひとまず終了した。身延線の２０００番台はクモハが追加され、モハは低断面トンネル通過対策として屋根を一部低くしたタイプ（２６００台）となった。また塗色がワインレッドとなり、地方カラーの先駆となった点でも注目される。
　翌５７年には伯備線電化用と高崎線増強用に１０００番台が投入されたほか、１０月には１５３系の置き換え用として新たに３０００番台がデビュー、「ひろしまシティ」電車として新たなグループを形成した。同車は１１７系に類似した２扉転換クロスシートとなったほか、塗色もクリームとブルー帯のいわゆる瀬戸内色となったが、中間車が１１１系のものは冷房準備車で落成している。翌年６月にモハが６ユニット製作されたが、これが１１５系としては最後の新製車両になったのである。　→以下その２へ続く