721系は札幌近郊の輸送サービス改善のため1988年から2003年にかけて135両が製造されました。
1988年から製造された0番台はサイリスタ位相制御の3両固定編成で1992年までに22編成66両が製造されました。1992年には快速エアポート用として6両編成3本が製造されたほか、3両編成だったF-22編成にも中間車3両が組み込まれました。
1993年から製造された1000番台はGTO素子のVVVFインバータ制御で製造され、2M1Tだった0番台とは違い1M2Tとなりました。1994年までに9編成27両が製造されました。
2000年には半室uシート設置工事が6両固定編成の4号車及びF-15・F-17・F-19・F-1001・F-1003・F-1005・F-1007・F-1009の新千歳側先頭車に対して行われました。2002年には130km/h運転開始に伴いブレーキ等の改良が行われ、対応車は3000番台に改番されました。
2003年には10年ぶりに増備が行われ、1000番台に中間車が組み込まれ6両化されました。サハのみを組み込んだ編成は4000番台に、モハ・サハを組み込んだ編成は5000番台に区分されました。また組み換えにより余剰となったクハ2両にモハ1両を組み込んだ5000番台も1編成誕生しました。この増備によりF-1009を除く先頭車のuシートが普通車に戻されました。またuシートは増備車に合わせて全室化されました。
2010年からは機器更新が開始され、サイリスタ位相制御からVVVFインバータ制御への変更が行われています。
737系の投入および733系の増備により2023年度より廃車が始まっています。