E5系是為了東北新幹線的營運最高時速320km/h的目標進行研製開發，2011年3月5日起開始商業化營運。本列車被定位為E2系實質性的後繼車輛。廣告宣傳口號為「MADE IN DREAM.」「21世紀の夢の超特急をカタチにしたら、こうなりました。」（形成超特急的夢想在21世紀，我得到了這一點）。E5系1編組（10輛）的製造成本約45億日元。2012年獲日本鐵道友之會藍絲帶獎。
本系列在商業營運後同時新設了東北新幹線暱稱「隼號列車」的專用車輛，之後開始陸續投入東北新幹線的「疾風」、「山彥」與「那須野」等列車班次的營運。
JR北海道因應2016年3月26日的北海道新幹線新青森-新函館北斗段開業而引入同型號車款，並命名為H5系。是JR北海道首款跟隨JR東日本以公司管轄範圍名稱首字母冠號之車系（JR東日本 (JR East) 以「E」為車系編號前綴，JR北海道 (JR Hokkaido) 以「H」為車系編號前綴）。列車在機電設備與E5系完全相同，僅外觀（車身色帶）、車內裝璜、車號編碼、車內提示鈴聲略有差異。
基於JR東日本在2000年制定的中期經營構想「ニューフロンティア21」（New Frontier 21）中「希望構建世界第一的鐵道系統」的願景，計劃將東北新幹線的最高營運速度設定為360km/h。為了實現這一目標，JR東日本2002年在公司內設立「新幹線高速化推進項目」，開發了Fastech 360S，並於2005年開始進行了包括地面設備在內的各種試驗。基於試驗結果並考量環境和成本因素，認為將最高速度定在320km/h較為妥當，於是開發出最高速度對應的新型新幹線E5系列車。
2009年，量產試製車（S11編組）製造完成。車輛由川崎重工業車輛公司和日立製作所共同製造，製造完後經海運運至仙台港。 5月24日至30日車輛陸續搬入位於仙台的新幹線綜合車輛中心。2009年6月15日開始在北上站-仙台站之間開始試運行。
2009年10月17日，在新潟新幹線車輛中心開放日中，E5系公開展示。
此後也延長行駛區間進行行駛試驗，同年12月9日第一次開進東京站站台。同時在報章刊登。
2010年1月中旬開始，與E3系R21編組開始重聯試運行。同年10月26日，與E6系量產試製車開始重聯試運行。
自2013年2月28日起，量產試製車改編為U1編組投入商業運行。其中該編組中的5〜8號車的普通車採用了之前試製時的座椅，後來才改為量產車一樣的座椅。
2010年11月22日和23日，量產車U2編組經海運後陸續卸貨。
2011年3月5日，共有3編組開始投入東北新幹線營運。以3組作單獨營運，在東北新幹線的大宮站-宇都宮站之間的最高速度275km/h，宇都宮站-盛岡站之間的最高時速300km/h的營業駕駛，「隼」運轉東京站-新青森站間2次往返和東京站-仙台站間1次往返。
然而，商業化營運開始後不到一周時間（3月11日）就發生了東北地方太平洋近海地震，距離東北新幹線全線恢復前一天的4月28日E5系營運暫時停止。直到4月29日的全線開通時重新開始運行，震後修復工程伴隨時刻表修訂暫時不能運行至300km/h。7月9日的時刻表調整宇都宮站-福島站間和一之關站-盛岡站間的最高速度，9月23日的時刻表調整伴修隨著復工程的結束，福島站-仙台站-一之關站間的最高速度恢復到300km/h。
2011年11月19日始，E5系新製造了3編組一共6編組，在疾風號與山彥號投入E5系。這些列車中的特等車廂亦會正常使用。部分列車與E3系「小町號」混編運行的最高速度僅為275km/h。
2012年3月17日的時刻表修訂增加4編組，合計10編組且投入「那須野號」班次。
2012年4月27日開始，增加1編組合計11編組，同年9月29日的時刻表訂正中再增加5編組。2013年1月26日時增加4編組合計20編組，E5系在「疾風」「山彥」「那須野」單獨行駛，最高速度是275km/h。
2013年3月16日的時刻表訂正中，新增投入3編組運行共計23編組，所有新青森站始發的「疾風號」改用E5系，「隼號」提升至最高速度是300km/h。另外，當天也開始「隼號」與E6系「超級小町號」的混編列車運行，另外，E6系同樣適用於部分「疾風號」和「山彥號」的混編列車運行。另外在此時刻表訂正之前的2013年2月28日，量產試製車S11編組改造為U1編組。
2013年9月28日的時刻表訂正中，新增投入4編組運行，包含量產試製車在內共有28列已經投入運行。
2014年3月15日的時刻表訂正中，秋田新幹線全線使用E6系列車營運，當天也開始「隼」與E6系「小町」的混編列車以320km/h的時速運行。
從那時起之後陸續增造列車，截至2019年9月，總共製造了44列列車。
H5系的第一編組為H1編組，於2014年10月8日至11日在川崎重工兵庫工廠出廠[27][28][29]，同月13日首列車的前2車廂抵達函館港。之後，第2編組抵達函館港，截至22日，2編組共20輛車亦陸續進入函館綜合車輛中心（現在的函館新幹線綜合車輛所），後於11月1日向媒體公開其車輛基地。
2014年12月1日，列車開始在函館綜合車輛中心-新函館北斗站區間進行路試，新函館北斗站亦舉行列車歡迎儀式。第2天開始在木古內站-新函館北斗站區間開始進行正式的路試工作[37][38]，從7日開始在津輕今別站-新函館北斗站進行路試，列車於第一次駛入青函隧道前往本州。
從2014年開始路試至2015年3月1日，從最高速度30km/h陸續升格至260km/h（營運時速）。2016年3月26日，新青森站-新函館北斗站開通。將交付4編組共40輛車。
車身採用了鋁合金空心桁架斷面和雙皮層構造。為了減少通過隧道時的微壓力波，車輛的高度和試驗車E954型（FASTECH360 S）的3650毫米相同，車輛寬度同為3350毫米。考慮到車體傾斜，車側結構主體內側設計為傾斜式樣。
車頭鼻形形狀以E954型的「箭線」為原型，使隧道微氣壓波較前代新幹線列車有所降低。另外鼻梁的長度較E954型縮短了1米（E954型為16米，E5系為15米）。在先頭車尖端處，設置了供車鉤收納的開閉式車鉤蓋以及尖端下部設除雪刀；先頭車10號車（即前往新青森方向的先頭車）為進行混編列車行駛，亦裝設了電氣連接器附著緊貼車鉤和自動開閉式車鉤蓋。駕駛台上部具備前照燈和尾燈（4聯）。另外亦設有2條雨刮，其中一條為緊急時使用。而駕駛台後部從乘務員門之間，由於頭車有過長的前鼻，因此設置了兩個櫃式機器室，中間為供列車長使用的過道。量產先行車的S11編組與N700系一樣，兩輛先頭車（1號車廂和10號）的駕駛台的乘務員門使用內嵌式門，其他的用通常的滑動式車門，量產車的U2編組以後內嵌式門被廢止，改為一般的滑動式車門。
每個車輛側面裝設了全彩LED式資訊方向幕。以E3系2000番台為基準，可提供列車類別、座位種類外以及中途的停車站等資訊。
車體顏色為了表達未來感覺的先進形象和速度感，主要來源於試驗車輛 Fastech 360S，總體色調為上半部是常盤綠，下半部是飛雲白，中間以「疾風粉紅」色線條分割。頭車部分側面圖案標誌以「游隼」為主的造型進行描繪。但所謂的「飛雲白」實際顯現下看起來就像灰色，加上列車上半部的綠色塗裝與粉紅線條，與虛擬歌手「初音未來」的形象角色（印象角色）「初音未來」的配色大致相同，故此也有日本人將此款列車戲稱為「初音列車」。
而H5系基本上沿襲著E5系的車身。但車體塗裝色帶中採用以「薰衣草」為主的北海道特色為主的淡紫色。另外，側面圖案標誌設置在1、3、5、7、10號車廂兩側（1節編組10個），採用以JR北海道獨有的設計的「北海道的雄偉」和北海道飛來的「小白游隼」為主題進行描繪。
車輛下部的機器由底架橫向吊掛，為降低噪音，設計為擋板和轉向架罩覆蓋的構造。此外，為減少抑制編組整體偏航而裝備的阻尼器噪音和車廂連接處的風噪，抑制左右晃動，在兩節相連的車廂之間以單側支撐的方式將車頂和側面進行了分割，用環狀結構安裝了全周幌（風擋）。重聯時車輛的2位方面被固定，旁邊的車輛的一位方面環機構強加於人的構造。可兼作檢查罩的擋板和轉向架罩上帶有隔音材料，轉向架罩採用輕量化碳纖維吸音材料來抑制噪音。
電源控制裝置
本車採用VVVF控制方式驅動。從架線引來的25kV單相交流電在由主變壓器降壓的基礎上，還需經過主變頻器裝置將單相交流電整流為直流電，而後轉化為三相交流電驅動主電動機。
M1車（E515型/H515型、E525型/H525型）主要搭載主變壓器、主變頻裝置和集電裝置，M2車（E526型/H526型）主要搭載變換裝置、輔助電源裝置和電動空氣壓縮機。
主變壓器採用強制風冷式，容量為3,130kVA (TM212)。
主變頻裝置採用日立技術的低磁勵音VVVF變頻器CI-18型，當中部分車輛的VVVF判給予三菱電機或東芝公司製造，其餘由日立製作所自行生產。
輔助電源裝置採用SC215A型靜止型變換裝置。由輔助變壓器、電壓交流電源用PWM變頻器，直流電源用絕緣型收發器組成，主要變壓器的3次電壓側供應單相交流400V、50Hz電源。供給電源方面，加熱器等非穩定電壓使用100V交流電，插座和服務設備用無停電電源使用單相100V交流電，控制制軔器電源、螢光燈等使用100V直流電等3種。
主電動機為300kw的MT207三相交流異步電動機，採用WN平行驅動型式。冷卻方式是自動通風，額定功率是300千瓦。
轉向架[編輯]
轉向架以E2系的耐久性和制軔性為基礎，採用了帶防偏航阻尼器的加強型無搖枕轉向架，由住友金屬工業，日立和川崎重工製造。車輪直徑為860mm。偏航阻尼器具有高阻尼和高速穩定性，軸箱支撐裝置採用兩板式支撐板，並且對軸箱支撐的剛度進行了研究，以提高行駛穩定性。在軸箱和轉向架框架的側梁之間設置了軸阻尼器，並且與平行安裝的軸彈簧一起優化了軸阻尼器，以提高乘坐舒適性。軸軸承使用油浴式圓柱滾子軸承JC39A，該軸承具有良好的記錄，鋁軸箱的形狀可以減少溫度升高，同時又可以減輕重量。基本制軔在轉向架車輪配備了鉗式剎車盤，而拖車的轉向架在車軸配備兩個附加的鉗式剎車盤。制軔方式從油壓式變成氣動式，以提高滑動再粘附控制技術的技術，使其不易受到高速制軔產生的熱量的影響。另外，為了使螺栓上的載荷和盤表面的熱變形最小化，將安裝在車輪兩側和車軸上的制軔盤由內部螺栓固定式變更為中央螺栓固定式，以增強制動力。另外，量產試製車的空氣彈簧常數作為枕形彈簧降低到最後一分鐘以使其更柔軟，並且車身和轉向架框架通過扭杆連接，從而提高了乘坐舒適性，同時轉向架上有抑制蛇行運動的抗側滾扭杆，以抑制車輛的側傾。轉向架型式方面，動車的轉向架為DT208型，拖車轉向架為TR7008型，至於帶駕駛席的拖車，則採用了帶陶瓷盤剎車片的TR7008A型，從而提高軌道和車輪的摩擦力。
驅動裝置採用重量更輕的WN接頭型平行萬向節QD208。使用斜齒輪的單級減速類型的齒輪比為82:31 = 2.65，通過減小齒輪的尺寸以減少重量。
全車均配備完全主動的懸架系統，該懸架通過加速度傳感器檢測到的左右以及相反的方向的力來消除左右振動，從而通過電指令驅動電動滾柱絲槓致動器來進行防擺控制。與E2系配備空氣式相比不再需要空氣管道和儲氣罐，從而以實現輕量化。另外配備了一個車體傾斜系統，該系統使用一個可以改變和傾斜車身至1.5度的空氣彈簧，同時基於軌道數據的資訊記錄，通過車身傾斜控制閥以改變車體的轉向架之間的空氣彈簧的氣壓，從而控制空氣彈簧的行程。另外本車的全主動懸架同時安裝了可調阻尼器，如果全主動懸架發生故障，可以作為半主動懸架使用。
集電裝置
為了在高速運行時的同時進一步降低噪音，列車在運行時僅使用一個集電弓為考量（安裝在3、7號車廂中前進方向的後者），因此採用了分割成12個觸線板並內置了彈簧的PS208型集電弓。在早期試驗車E954型中，就裝有2個不同的集電弓來測試來選定量產車使用的集電弓，分別為「琴鍵式」和「書脊式」。最終在PS9037型集電弓的基礎上，在觸線板分割成12個並內置彈簧，以靈活追隨架空線。集電弓側面安裝了用以降低噪音的大型隔音板，絕緣子側面配備小型隔音板。為了減少噪音，特高壓引通線和E2系0番台一樣設置於車內頂棚處。
車內以「舒暢」、「溫馨」、「自在」為主旨，把恰到好處作為設計理念。顏色以自然為基礎，溫暖的沉靜的空間設計，由於車輛前端的空間縮小和5號車廂配備廁所、多功能室等多目的設備的原因，因此本系列1編組的定員比E2系1000番台少83人，比200系K編組組10節車廂（225型400番台、頭車1500番台的嵌入式組合）減少8名，總載客人數731名。普通等級列車座位距離較E2系有所加寬（980mm→ 1,040mm），不過，偶數車廂由於不配備廁所等設備（2、4、6、8號）車廂定員與E2系一樣為100名，彌補了座椅間距的擴大使席位減少的遺憾。另外三人坐的座位寬度也相應擴大（A、C座：430mm→440mm，B席435mm→460mm）。
H5系的內部設計基本沿襲E5系，以「北海道之旅的序章，作為前方旅行的感情演奏」（ 北海道への旅の序章として、その先の旅への想いを奏でる〜Prologue of the North Experience〜 ）為概念，採用雪的結晶等圖案的獨特的設計。另外，渡島綜合振興局要求車輛的內飾材料使用道南生產的日本柳杉，但由於近年來JR北海道故障事故頻發，因此棄用該材料。
綠色車廂、特等車廂車門位於新青森方向端，普通車各車兩端的兩處設置了車內隔門。
所有座席均設有閱讀燈，列車設有空氣淨化機、LED顯示器，一等車所有座席及普通等級列車的車窗位置均設有電源插座（H5系、2015年後製造的E5系為全部座位均設置）。每個車廂均裝設監視器，加強安全性。
廁所在每2節車廂各1處（新青森方向端的奇數車廂），西式衛生間2處男性用衛生間1處，洗臉間2處。但是，5號車廂只有1處洗臉間。
5號和9號車廂配備了輪椅對應設備（車門擴寬、配備輪椅座位、多用途衛生間等）。採用了方便帶方向舵的電動輪椅進出的多用途衛生間。此外，5號車廂配備了多功能室。
由於H5系與E5系有共同運用的設想，座位配置等基本的部分與E5系基本相同，普通車地板以雪的結晶為主繪製的地板設計以及隔門內側使用JR北海道的顏色標識色。另外，車內照明燈光採用發光二極體（LED），普通等級列車與E5系一樣車窗位置座席均設有電源插座。
考慮到會有許多遊客攜帶大件行李乘車，因此在9號車廂設置了大件行李擺放區。後來由於此設計不足以滿足旅客需求，在2017～2018年間追加設置大件行李擺放區，於普通車廂在偶數車廂的2席（1號D、E）的座位。
2008年8月，JR東日本發表了未來新型新幹線列車配備的比原本頭等車綠色車廂還要高一等的「超級綠色車廂」（「スーパーグリーン車」，暫名），2010年5月11日正式定名為：「Gran Class」（グランクラス車）。設計理念以「夢想的獨特，是讓你的旅途時刻變得特別。」（特別な旅のひとときをあなたに -Exclusive Dream-）作為概念設計車廂內飾和座椅，座椅間距比綠色車廂的1160mm增加到更寬的1300mm，座位寬度也由原來綠色車廂的475mm增加到520mm。該車廂內設有18個以2＋1方式布局、可電動調整的座椅。此車廂設置在E5系U編組靠青森方向的第10號車廂。至於U編組的綠色車廂，是設於隔鄰的9號車位置。
另外，量產試製車在新製造時沒有配備，後來試驗結束進行量產化改造的同時加入特等車廂。
營運駕駛的最高速度為320km/h，上行3‰的均衡速度是360km/h。標準編組為10輛，動力車（M）和無動力車（T）的比例為8：2。啟動加速度1.71km/h/s，但與E3系連結運行時會具有E3系單獨運行時一樣的起動加速度（均為1.6km/h/s）。
而空氣彈簧傾斜裝置能使列車在高速過彎時可使車體擺動傾斜最多1.5度，因此在半徑4000m的彎道上也能以320km/h運行，從而在通過彎道時提高乘坐舒適性。
本系列車輛各型式名稱和該車型如下所示。本系列編組由4個單元組成，動車是奇數車廂（M1）和偶數車廂（M2）各1個單元組成，加上兩輛拖車合計10輛（一節編組），編組前後兩端為拖車。編成符號方面E5系為U編組，H5系為H編組。另外，E5系和H5系的車輛番台相同。
E514型 (Tsc) / H514型 (Tsc)
設置了特等車廂的控制拖車，編號為10號車廂。設有朝向新青森方向的駕駛席。裝備了輔助電源裝置、電動空氣壓縮機。車頭端配備連結器，可與E3系或E6系連結。
E515型 / H515型 (M1s)
設置了綠色車廂（一等座）的動車。編號為9號車廂。配備了列車長室、衛生間、洗臉間、車內售貨準備間、服務空間，裝備了主變頻裝置、電動空氣壓縮機、補助電動空氣壓縮機和蓄電池。
E523型 / H523型 (T1c)
設置了普通座席（二等座）的控制拖車。編號為1號車廂。配備了衛生間、洗臉間。設有朝向東京方向的駕駛席。裝備了電動空氣壓縮機和蓄電池。
E525型 / H525型
0番台 (M1)
3號車廂，為普通座席的動車。配備了衛生間、洗臉間、公用電話，裝備了主變頻裝置、電動空氣壓縮機、集電裝置。
100番台 (M1)
7號車廂，為普通座席的動車。配備了衛生間、洗臉間，裝備了主變頻裝置、補助電源裝置、電動空氣壓縮機、蓄電池和集電裝置。
400番台 (M1k)
5號車廂，設置了普通座席的動車。配備了衛生間、洗臉間、輪椅對應設備、多用途室、車內售貨準備間以及自動體外心臟去顫器（AED），裝備了主變頻裝置、補助電源裝置、電動空氣壓縮機和蓄電池。
E526型 / H526型
設置了普通座席（二等座）的動車。在最初的設計中，各番台的定員均為100名。2015年間，追加了大件行李架（位於原1D、1E座位），定員因此下降至98名。
100番台 (M2)
2號車廂，為普通座席的動車。裝備了主變頻裝置、主變壓器。
200番台 (M2)
4號車廂，為普通座席的動車。裝備了主變頻裝置、主變壓器。
300番台 (M2)
6號車廂，為普通座席的動車。裝備了主變頻裝置、主變壓器。
400番台 (M2)
8號車廂，為普通座席的動車。裝備了主變頻裝置、主變壓器。
截至2019年4月1日，E5系總共36列列車全部配屬於新幹線綜合車輛中心，定期運用以下文所述。另外，「隼號」在宇都宮站-盛岡站區間以320km/h行駛，而非「隼號」班次的列車均在該區間以最高速度275km/h行駛。
隼號（はやぶさ Hayabusa）
疾風號（はやて Hayate）
山彥號（やまびこ Yamabiko）
那須野號（なすの Nasuno）
東京站 - 郡山站間：下行5班次、上行6班次運用。另外，下行2班次、上行3班次與E6系，上下各1班次與E3系0番台重聯運行。
東京站 - 那須塩原站間：下行8班次、上行6班次運用。另外，上下各3班次與E6系，上下各1班次與E3系0番台重聯運行。
東京站 - 小山站間：上行1班次運用。
截至2017年10月，H5系總共4列列車全部配屬於JR北海道的函館新幹線綜合車輛所。
與E5系一樣，東京站、仙台站 - 盛岡站之間與E6系「小町號」重聯運行。截止2018年3月27日，通常運用於隼號3班往返班次（下行19、33、95號／上行10、24、36號）和山彥號下行1班次（223號，與E6系重聯運行）。不過在繁忙時段，可能會使用其他列車。
自2011年4月29日起，在1號車上貼有東北地方太平洋近海地震重建促進運動的貼紙，由於配合青森地方旅遊活動，10號車貼有「がんばろう日本! がんばろう東北!」（日本加油！東北加油！）的貼紙。
2012年11月17日，為紀念在上越新幹線開通30周年，E5系U8編組在上越新幹線運行「上越新幹線開業30周年號」團體專用列車。這也是本系列第一次在上越新幹線營運。
自2016年3月19日起，E5系在1號車和10號車均貼上「Treasureland TOHOKU－JAPAN」的標誌。2016年之後的增備車亦貼上該標誌。
2017年7月9日-10日，E5系U27編組擔當団體臨時列車「東北新幹線開業35周年記念號」，於新潟站 - 八戶站間營運。
2018年7月5日開始在大宮的鐵道博物館展示E5系1比1尺寸模型車（10號車E514型）。編組為U0編組，車號為E514-9001，但除控制設備等未裝備外，其他與實車相同。
2015年之前包括量產試製車（改造為商業化營運）在內合計59編組投入。計劃在東北新幹線之中除迷你新幹線「翼」以及「小町」之外所有列車將替換成新型列車，但在2014年底的計劃中暫時保留半數在東北新幹線運用的E2系J編組共28列。另外在2015年11月，增備U29至U31編組，在2016年底至2017年初增備U32編組和U33編組，在2017年7月又增備了U35編組。截至2019年10月，E5系列共生產了43列。
另外，在2016年3月的北海道新幹線的新青森-新函館北斗間開業時，E5系和H5系是道南和東北新幹線運行的前提的車輛。將來2031年春季新函館北斗-札幌間開業那時，將考慮到列車的換代的前提，以及更高要求的氣候對策和寒冷對策而是否需要研製新一代新幹線列車的檢討中，有報導指出JR北海道公關否認。但JR東日本在2017年7月4日決定研製新型新幹線試驗列車「ALFA-X」，將利用該列車以研製新一代新幹線列車。
2031年，北海道新幹線新函館北斗-札幌間開業，預計以「ALFA-X」為基礎的列車取代E5系/H5系，將於北海道新幹線新函館北斗-札幌間運行。
為配合在2023年落成的印度高速鐵路工程，將向印度出口同型號列車共25編組。列車最高速度預計350km/h，定員人數方面商務席為25名，標準席為698名（預計）。
繼台灣高鐵的700T型電聯車和中國高鐵的和諧號CRH2型電聯車後，這是日本新幹線第三款輸出到國外的新幹線列車。