E531系はつくばエクスプレスの対抗策として常磐線に設けられた特別快速用、及び老朽化した415系置き換え用として2005年3月に登場、2005年7月9日のダイヤ改正より営業運転を開始しました。
E231系近郊形をベースとしつつ、高速運転に対応するためE653系に準じた機器を搭載しています。営業最高速度はJR東日本の普通列車用車両で初の130km/hとなっています。
まず2005年の特別快速登場に向けて12編成90両が製造されました。その後グリーン車の連結が決まったため編成を組み替える必要が出てきたことから、2006年製造のK407編成?K411編成はサハE531形2両をCP付きのサハE530形に変更して製造され、残る編成はサハ抜きの6両で製造されました。グリーン車を組み込む際に、K401編成?K406編成のサハE531形2両ずつをK412編成?K422編成に、K407編成?K411編成のサハE530形2両ずつをK412編成?K421編成に組み込むことで無駄な車両を発生させませんでした。なお1両不足するサハE530形はE531形を改造することで補填しました(サハE531-2012→サハ530-2022)。
2007年3月18日のダイヤ改正までに300両が製造され、同改正より上野口のE531系統一及びグリーン車の営業が開始されました。
E501系更新に伴う不足分の補填として2010年6月・7月に5両ずつが増備されました。
2014年9月には上野東京ライン開業に備え、基本編成が8年ぶりに増備されました。また12月からは付属編成の増備も行われています。
2015年10月には寒冷地仕様の3000番台が登場しました。