1997年（平成9年）3月22日開通的秋田新幹線，正式使用基本番台的E3系電車。到了1999年（平成11年），山形新幹線伸延至新庄，E3系1000番台亦於山形新幹線開始運行；而在2008年至2009年的時候則製造了E3系2000番台，以代替先前行駛的400系電車編組，所以E3系電車總共有三種編組。
E3系列車的製造商分別為川崎重工業和東急車輛。2002年以後的「小町」號（こまち，Komachi）由川崎重工業製造，而「翼」號（つばさ，Tsubasa）則由東急車輛製造。目前E3系的全部列車都裝設了數位自動列車控制裝置（DS-ATC）。
直至2005年7月14日，JR東日本正在使用41列E3系列車：
R編組（0番台）─26列（R1-R26）
L編組：
（1000番台）─3列（L51-L53）
（2000番台）─12列（L61-L72）
另外，在E2系、E3系登場之前有一組六輛編組的高速實驗車輛新幹線952型電聯車，和新幹線500系900番台實驗車（暱稱「WIN350」）一起擺放在位於米原市的鐵道綜合技術研究所風洞測試中心。 目前仍在使用的列車 0番台:已退役 1000、2000番台:除L51編成報廢,其餘列車正常使用
為了對應了東北新幹線內的高速營運行駛，JR東日本自2013年3月起投入E6系，並於2014年3月提高在東北新幹線的最高營運速度到320km/h的同時，全部取代現在的秋田新幹線「小町」號所使用的E3系0番台。部份被取代的0番台列車經改裝後轉移到山形新幹線使用，其餘則全數拆卸。 2014年3月14日的「小町」28號的秋田－東京班車為秋田新幹線E3系列車最後班次。這批E3系列後期生產的車後進入山形新幹線。前期生產車則報廢。3月15日以後，秋田新幹線全部為E6系電車擔當運行，超級小町號取消。
另外，服務於山形新幹線的E3系列車（包括0/1000/2000番台共15列編組）已自2014年春天起更改車身塗裝，新塗裝設計由奧山清行負責。最後一列舊塗裝編組（L63）於2016年10月29日結束其最終運行。
2020年3月3日，JR東日本公布將為山形新幹線引入本型列車之後繼車款，並命名為E8系，首列新列車預計於2022年9月落成、並於2024年春天投入服務，預計於2026年春季全面取代E3系列車。
2020年10月，因受2019冠狀病毒疾病疫情影響，乘車需求銳減，E3系0番台已全數退出營運。
2021年6月，因行動電話普及率高，JR集團各公司拆除所有新幹線列車上的公用電話。
0番台
R1 - R16編組（E328型除外）
在秋田新幹線所用的E3系0番台，原本由第三部門的秋田新幹線車輛保有株式會社所擁有，以租借形式租予JR東日本使用。隨著租約期間的屆滿，秋田新幹線車輛保有株式會社以2010年3月為限解散，所有車輛被有償轉讓給JR東日本。
E328型 R17～23編組
1998年以後生產的E328型（第14號車）全車及R17～23編組，全屬JR東日本所擁有。
1000番台和2000番台
使用在山形新幹線，全屬JR東日本所有。
維基共享資源中相關的多媒體資源：新幹線E3系電力動車組
新幹線E926型電力動車組－以E3系的標準設計的新幹線軌道檢查車輛，暱稱「East i」