1964年2月18日新潟鉄工製の6-1次車で、昭和38年度第2次債務で山形機関区に新製配置された。同ロットの502～505全車が山形に配置された。山形では急行「ざおう」「もがみ」「べにばな」等、奥羽本線系の急行で使用された。1965年度には一部運用が新規配置の弘前へ移管され、同年度中に同ロットの兄弟を含む502～506が弘前へ転出した。その後は東北北部の車両基地間での車両の交換が続き、1966年度には502～505揃って青森運転所へ移動した。青森では1968年の東北本線電化による運用減と、更なる増備車により転出車が続出し、当車は同ロット502～505共に1968年4月13日付で米子へ転出した。米子転出後は早速1969年には冷房化され、急行「だいせん」「伯耆」「さんべ」等山陰本線の急行列車で使用された。1975年3月には運用の調整で鳥取へ移動し、引き続き山陰本線で活躍した。「60-3改正」では急行「さんべ」の運用移管や山陰本線西部の急行削減に伴い余剰となり、小海線の老朽キハ57を置き換えるため1985年5月23日付で中込機関区へ転出した。以後、小海線の普通列車専属となり、冷房を使用することも無くなった。中込配置のままJR東日本に継承され、その際に携帯式無線アンテナを挿すための筒が方向幕横に取り付けられた。この装備はキハ58ではJR西日本亀山運転区、JR東海伊勢運転区とJR東日本中込運転区のみの装備であった。JR化後は1991年に小海線にキハ110系が投入され、非冷房車は軒並み廃車されたが冷房車は活用されることになり、当車は1991年6月22日付で新潟運転所へ転出した。転出後、1991年10月度に車両更新及び機関のカミンズエンジンへの換装が行われ、塗装も新潟色へ変更された。1991年11月1日には新潟駅の再開発で新潟運転所は廃止され新津運輸区へ移管したが、運用の実態は変わらなかった。新津では冷房車であることから快速「あがの」「べにばな」を中心に普通・快速列車で運用された。2000年以降は運用見直しや編成両数削減で所用数が減少し、老朽化したキハ58系は順次廃車となり、当車は2000年6月1日付で廃車となった。

外観的には、米子地区の形態を色濃く残している。
前面は、後藤工場タイプの前面補強が施工されている。正面窓上の通風口は更新時に撤去されたが、水切りは原型のままである。デフロスタは運転室側のみについている。ワイパーは強化型のWP50へ更新されており、それに伴い運転室窓下の手すりが短くなっているのは、後藤工場の標準タイプである。タイフォンカバーは筒型の後期新潟タイプに更新されているが、タイフォン上部のシャッター作用箱も撤去されて真ん丸になっており、作用箱代用の小足掛けが追加されている。テールライトは外ばめ式に改造されている。制御ジャンパ栓受、ステップの位置は後藤工場標準の位置にある。放送用ジャンパ受栓は、中込時代にタイフォン上部へ移設されている。タイフォン改造時に、助手席側のステップの位置が、運転席側と同様の位置へ変更されている。
側面では、乗降ドアが交換され、金属押さえ窓、ドア隅の小窓無し、タブレット保護柵用の窪み無しである。また、乗務員室ドアも交換され、ドアノブが、窪みの中に収まっている。また乗務員室ドア下部に、小手すりが追加されている。また、客室・常務員共にドア下のくつずり部がステンレスに交換されている。また、当地区では側面ほぼ中央部窓下にサボ差しが追設されているが、これも他地域と比べ窓半分後位側へずれている。（他地域のものは、前位側から5枚目の客室窓下にあるが、当車は前位側から5枚目と6枚目の間にある）　汚物処理タンクが設置されているので、便所部側面に点検蓋のようなものが設けられている。また、客室扉戸袋部の点検蓋はキハ40系のような形状に更新されている。乗務員室ドア後部にあったタブレット保護板は撤去されている。JR東日本のエンジン換装車共通で、側面の機関冷却水給水口が埋められている。洗面所窓は、洗面所が撤去されたのに伴いガラスが通常の透明ガラスに交換され、また臭気抜き窓が撤去されている。
屋根上は非常に個性的で、一世代昔の角型AU13クーラーが乗っている異端車である。水タンクは、新潟地区配置ながら、原型のものを装備する。
床下では、複線用スノープロウを付けている。エンジンは、防火対策・車両更新の際にカミンズ製DMF14HZへ交換されている。また、燃料油タンクも角型のものに交換されている。トイレには汚物処理タンクが取り付けられている。

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