自E1系電車投入服務以來，服務需求持續增加，而另一方面，200系電車車齡漸高。有鑑於此，JR東日本需要設計新車款，以滿足路線需求及取代200系電車。這款大載客量電車被稱為E4系，採用雙層設計，全數電車均被冠「Max」這個名字，為「Multi Amenity eXpress」（複層舒適特快車）的簡稱。兩端車頭形狀為抑制微壓波噪音使用「鴨嘴獸」設計，車身顏色使用白色加深藍色裙腳，兩色之間以一條黃線分隔。
與E1系比較，E4系與E1系均使用交流牽引電動機，但其牽引逆變器則從GTO改為IGBT。車廂數目由E1系的12節減為8節，但有需要時可兩電車併結成16節車廂行走，大大增加靈活性及減低浪費。
每列8節編組的E4系可載817人，以兩列聯掛行走則可增至1,634人。
E4系電車於1997年12月20日起正式投入服務，運行於東北新幹線。至1999年4月29日，E4系開始與行駛山形新幹線的「翼號」電車連結行走。2001年5月7日開始在上越新幹線營運，同年7月22日於長野新幹線以臨時電車方式營運。E4系以後新型單層電車（即E5/E6系）投入服務後才不再服務東北新幹線。
由於其可雙組連結運行的特性，其高峰運能時至今日依舊不容小覷。然而自首批編組出廠以來，車齡已達20年，因此預定從2018年開始分批廢車，由E7系陸續取代，至2020年將從上越新幹線全數退役。目前原P1編成的先頭車，退役後已送入新潟的新津鐵道資料館作靜態保存。
2019年10月12日至13日，哈吉貝颱風侵襲日本，豪雨造成千曲川潰堤，停放在長野新幹線車輛中心的10列120節E7/W7系電車淹水受損，JR東日本決定先調用上越新幹線的3列E7系，並延後退役E4系來填補E7/W7系增造車補齊前的北陸新幹線的服務。
最後的E4系已於2021年10月17日正式退役。
現時JR東日本共有22列E4系電車（P5—22、51—52、81—82）。
P1—P22編組：使用於東北新幹線、上越新幹線。
以下編組可以駛入長野新幹線的全部及一部區間：
P51—P52編組：對應30‰陡坡區間的行駛，可以開進輕井澤站月台。
P81—P82編組：除上述之陡坡對應以外，並裝載輕井澤—佐久平間的電源頻率轉換裝置，只有這兩個編組可以到（連）開進長野站月台。
不過，因為雖說是對應60Hz的電源頻率，相關機器全部考慮在50Hz的使用情形，為了長時間的運行和頻繁進站等等的原因，電源頻率轉換裝置被認為在基本上是不可能使用，而無法常態的以60Hz對應進入到長野。
1997年（平成9年）12月20日：東北新幹線營業運行開始。
1999年（平成11年）4月29日：與山形新幹線「翼」混編電車營運開始。
2001年（平成13年）5月7日：上越新幹線營業運行開始。
2001年（平成13年）7月22日：長野新幹線的臨時電車東京—輕井澤間營業運行開始。
2005年（平成17年）12月10日：東北新幹線仙台—盛岡間，自定期電車運用撤退。
2012年（平成24年）9月29日：E4系由東北新幹線全面撤退，轉入上越新幹線。
2021年（令和3年）10月1日：E4系由上越新幹線全面撤退，E4系正式退出服務。
2021年（令和3年）10月17日：E4系行駛告別班次來往新潟和東京，E4系其後便正式退役。