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列车的设计由荣久庵宪司率领的GK工业设计负责。1993年获日本通商产业省（现称经济产业省）选定为“优良设计奖”金奖得奖列车。

1987年国铁分割民营化后，JR东日本与其他自国铁分割的子公司一同设计和制造205系。但同时，国铁时代大量制造的103系已经老化至极限的阶段。与此同时，因为当时日本经济不景气和民营化而带来减省开支的需要，JR东日本需要一套新的设计概念来开发新世代列车。结果，新世代列车的试作型号——901系于1992年登场。3列10辆编组（A－C编组，后来的900、910、920番台）列车被配属于京滨东北线-根岸线试车。

新列车的设计目标为“重量减半、价格减半、寿命减半”。“重量减半”的意思是减低编组重量及减低编组内动车所占比率而节省能源；“价格减半”的意思是透过车体轻量化和大量生产而降低生产成本；“寿命减半”的意思则是将车辆的设计寿命从以往20至30年降低至日本税务法规定铁路车辆的折旧时间——13年。这既能避免列车服役时间过长而未能受新技术影响和改进，亦能在退役时对公司账目的影响减至最低，但此模式没有在其后设计的列车上使用。

设计参考了JR东日本从日本国铁末期（1986年）投放在常磐缓行线的207系900番台列车，正式引入可变电压可变频控制器（VVVF）。其中反用换流器采用了三菱电机的产品，而闸流体则采用了可关断晶闸管。