E3系は1997年に開業した秋田新幹線用の車両として1995年から製造されました。その後、山形新幹線新庄延伸に伴い1000番台が1999年に、400系置き換えに伴い2000番台が2008年に登場しました。製造両数は0番台が26編成156両、1000番台が3編成21両、2000番台が12編成84両となっています。
在来線規格のアルミ車体で、最高速度は275km/hとなっています。VVVFインバータ制御でR1～R17及びL51、L52がGTOサイリスタ素子を、以降はIGBT素子となっています。
R1～R16は当初5両編成で製造されましたが、1998年に中間車が増備されて6両編成となりました。以降製造されたR編成は当初から6両編成となっています。
2008年に登場した2000番台は大幅な改良が加えられ、大型フルカラーLED案内装置やアクティブサスペンションなどが装備されています。
E6系投入に伴い2013年にR編成の大半が置き換えられました。2000年代に製造された車両は増結用として残った他、R23～26編成は1990年代製造のL51・52編成を置き換えるため、編成を組み替えL54・55編成に改造されました。またR18・19編成はジョイフルトレインとして改造され700番台となり、R18編成は2014年7月19日より「とれいゆつばさ」、R19編成は2016年4月29日より「現美新幹線」として運行されました。
2024年3月よりE8系の運行開始に伴いつばさ用についても置き換えが始まっています。