EV-E301系は架線からパンタグラフを通して直流1500Vを取り入れ、直流630Vへ降圧してバッテリーへ充電する。電化区間の東北本線内では架線からの電力で直接モーターを回して走行するが、非電化区間の烏山線内ではバッテリーに蓄えられた電力で走行する。制御方式はVVVFインバータで、減速の時に回生ブレーキで電力を発生させ、バッテリーに充電する。
基本編成は2両で運行する。2両ともにモーター・片運転台付きの車両になっていて、烏山駅側の車両はパンタグラフを持つEV-E301、宇都宮側のパンタグラフ無しがEV-E300となる。全長20mの3ドア両開き車両で、座席は全てロングシート。室内照明はLED化されている。定員は座席48、立ち席80の計133名で、2両合わせて最大266名の乗車が可能。車両重量は各約40t、トイレの設定は共に無く、最高速度は100km/h(烏山線内は65km/h)となっている。気になるバッテリーは、リチウムイオン電池630V-95kwhを各車両それぞれ1つずつ設置。気動車に比べて二酸化炭素排出量は約40%までに抑えられた。
実際に乗ってみた印象では、首都圏を走る通勤用車両とほぼ変わらない乗り味だった。VVVFインバーターが発する独特の音も、加速感、振動も似た感じ。これは非電化区間でバッテリーのみで走っていても変わらなかった。
すっきりとした車内は非電化単線用の車両とは思えないモダンなもの。
ワンマン運転対応されており、整理券や車内での支払い設備が備わるのは地方路線らしい点。