国鉄165系電車
新造車
等級は製造開始時に準拠する。
ジョイフルトレインへの改造
国鉄末期の1980年代後半より余剰車両の一部はジョイフルトレインへの改造が施工された。
博物館向けモックアップ
2006年5月14日に閉館した交通博物館での展示を目的に、日本車輌製造が実車同様の部品を使用して現地で出張製造を行った。車号はクハ167-1とされ、修学旅行色の車体に「なかよし」のヘッドマークを前面貫通扉に掲出した。
交通博物館閉館後は埼玉県さいたま市の鉄道博物館に移設され、当初はノースウイング（北側別館）に、ノースウイング改装に伴いプロムナードで展示される。製造当時は休憩スペースにも利用されていた客室部分が徐々に短縮化され、現在は運転台部分と客室1区画程度である。
全盛期からJR化直後までの運用
原則として定期列車での運用について解説する。
上越線（水上以北）・信越本線（新潟口）
（新潟鉄道管理局 新潟運転所⇒JR東日本新潟支社 上沼垂運転区）
信越本線
（長野鉄道管理局 長野運転所・高崎鉄道管理局 新前橋電車区）
中央本線・大糸線・篠ノ井線・飯田線（辰野口）
（国鉄：東京西鉄道管理局 三鷹電車区・長野鉄道管理局 松本運転所・長野運転所・名古屋鉄道管理局 神領電車区・新潟鉄道管理局 新潟運転所）

（JR東日本：東京地域本社（→八王子支社） 三鷹電車区・長野支社 松本運転所・長野運転所）
東海道本線（東京口）・御殿場線・身延線・飯田線（豊橋口）
（東京南鉄道管理局 田町電車区・高崎鉄道管理局 新前橋電車区・静岡鉄道管理局 静岡運転所・名古屋鉄道管理局 大垣電車区など）
東海道本線（名古屋口）・中央本線（中津川以南）・関西本線
1971年から運転を開始した名古屋地区快速列車に1972年3月のダイヤ改正から153系と混用で大垣電車区の8両編成が投入された。1982年の117系投入により置換えられたが、間合い運用ならびに神領区と共管で中央西線中津川以南の運用にも投入された。
関西本線での運用は、名古屋 - 亀山間のローカル列車運用に1985年3月のダイヤ改正で大垣区の3両編成が投入されたのが起源である。1988年3月のダイヤ改正で神領区に運用移管されたが、1990年には213系電車に置換えられた。
東海道本線（大阪口）・山陽本線
（大阪鉄道管理局 宮原電車区・ 岡山鉄道管理局 岡山電車区・広島鉄道管理局 広島運転所・下関運転所など）
岡山電車区
岡山電車区には、1965年に波動用4両編成x4本16両配置されたが、この車両はクハ165形4両を除き1972年に大垣電車区へ転出した。
上述車とは入換の形で下関運転所からMcM'ユニット4組8両とサロ165形2両、宮原電車区からサハ153形4両が転入。残存したクハ165形4両で引続き波動運用対応用とされたが、翌年までサロ165形は網干電車区（現・網干総合車両所）に、残りの車両は神領電車区に転出した。
定期運用は持たない。
修学旅行列車
167系電車による修学旅行列車運用は、1965年7月に4両編成4本計16両を田町電車区に配置し同年10月より品川 - 京都間「わかくさ」で、1966年1月から2月に4両編成3本・6両編成4本計36両を下関運転所（現・下関総合車両所）に配置し、同年4月より下関 - 広島間「なかよし」（小学生向け）・下関 - 京都間「友情」（中学生向け）・下関 - 東京間「わこうど」（高校生向け）で運転を開始した。
オフシーズンには「わこうど」と同時刻で運転された臨時急行「長州」のほか、各地の臨時列車運用にも投入された。
修学旅行列車の新幹線移行に伴い波動輸送用に転用。下関所属車は1974年から1975年にかけて田町区に4両編成5本20両、宮原電車区にクハ167形4両とモハ167・166形ユニット6組12両の計16両が転出。主に山陽・信州・上越方面への臨時列車のほか、神奈川県内から日光への小学校向け団体列車運用にも充当された。
国鉄末期の変則的な運用
1986年11月1日のダイヤ改正に備え、名古屋地区においては1986年7月から10月にかけて117系のスジを、阪和・紀勢線においては1986年10月に特急「くろしお」を含む485系のスジをそれぞれ本系列が代走した。前者は117系の6両編成9本から4両編成18本に組み替えるため運用離脱の必要があること、後者は485系を福知山線の特急「北近畿」に転用させる必要があり、かつ紀勢線の新宮―御坊間でのホーム嵩上げが進捗したことにより松本から日根野に転属したばかりの本系列が運用可能になったことによる。
JR東日本
分割民営化後は、田町電車区（→田町車両センター→現・東京総合車両センター田町センター）の167系は4両、他区の165・169系は3両と最低組成に必要な短編成で組成され主に波動運用対応用とされた。
なお一部車両は、107系電車新製にあたって主電動機・台車・冷房装置などの機器を供出しているが、車籍上のつながりはない。
JR西日本
分割民営化後は、宮原運転所と日根野電車区に配置された。
他社へ譲渡された車両
JRでの運用終了後に一部車両が他社に譲渡されたが、いずれも運用を終了している。