デビュー年：１９６８年 最高速度：１２０km/h
元・使用列車：つばさ、しなの、あさしお、やくも、
はまかぜ、いなば、くにびき、おき、いそかぜ、しおかぜ、いしづち、
南風、うずしお など
元・運行区間：東北本線、奥羽本線、中央本線、東海道本線、山陽本線、播但線、予讃線、土讃線など
非電化幹線の特急にキハ８０系が投入されていたが、少々パワー不足で、スピードアップが難しかった。そこで、大出力エンジンを搭載した車両が求められていたため、まずはキハ９１系を試作し、様々なテストを行った。そして、その成果を元に量産されたのがキハ１８１系である。
大出力エンジンを搭載した上に、キハ８０系よりも軽量化したこともあり、何と言っても当時としては高速の、しかもディーゼルカーで最高１２０ｋｍ／ｈの性能を実現させたことが特筆され、さらに中間車の屋根全体に、黒い半月状のエンジン用放熱機器（ラジエター）を搭載しているのが特徴。また、運転台機器は、マスコン、ブレーキハンドルを従来の方式とは異なり、レバーを前後方向に動かす方式に変更され、人間工学に基づく仕組みを導入した。
昭和４７年までに１５８両が製造され、勾配線区に投入。東北では奥羽本線で特急つばさ、中央西線で特急しなの、山陰本線、四国各線の特急で使用された。そして、ＪＲ発足時には、ＪＲ西日本・ＪＲ四国に受け継がれ、このうちＪＲ四国はいち早く独自塗装に塗り替えられたが、１９９４（平成６）年に四国からは引退。
ＪＲ西日本では、特急「はまかぜ」用に新塗装を導入した以外は、基本的に国鉄色を保ったまま山陰などで活躍していた。しかし、ついに新型車両キハ１８７系が投入され、各列車から次々と撤退。そして２０１０（平成２２）年１１月、大阪〜浜坂・鳥取を結ぶ
特急「はまかぜ」にキハ１８９系が投入されたことにより、ついに定期運用から離脱した。
また、ＪＲ東海は発足時点では保有していなかったが、国鉄時代に自社管内でキハ１８１系が活躍していたこともあり、ＪＲ四国から購入。佐久間レールパーク（２０１１年春からは「リニア・鉄道館」）で先頭車のトップナンバー（キハ１８１−１）が保存されているほか、ＪＲ西日本では津山駅に隣接する、旧津山扇形機関車庫にキハ１８１−１２を保存している。
