1970年4月28日日本車輌製の4次車で、昭和44年度第3次債務で長野運転所へ配置された。同一ロット508～511全車が長野へ配置されている。長野へは急行「きそ」「ちくま」「越後」の幹線急行の冷房化のため投入された。しかし中央西線は1973年には電化され、この際に当車は美濃太田へ転出し、急行「のりくら」や「紀州」で活躍した。「50-3改正」では美濃太田区のキハ65運用は名古屋へ移管され、当車も名古屋へ転出し、引き続き急行「のりくら」「紀州」を中心に活躍した。国鉄末期には急行「紀州」は廃止され、代わりに亀山より急行「かすが」の運用が移管され、そのままJR東海へ継承された。JR化後は主に急行「かすが」で活躍し、1989年に「かすが」のグレードアップが行われることになり、1989年3月8日付でリクライニングシート化されキハ65 5508へ改番された。なおこの改造は浜松工場で実施されており、電車・新幹線担当の当工場では珍しい気動車の改造工事である。その後は機関換装車に5000番台を付番することになり、1991年2月2日付でキハ65 3001へ改番された。その際に塗装も快速「みえ」と同じものに塗り替えられた。その後も急行「かすが」の専用車として長く活躍したが。1999年のキハ75追加投入により急行「かすが」はキハ75系化され、その後は波動用として使用された後に2001年9月14日付で廃車となった。

前面は登場時ほとんど変わっていない。500番台特有のヒーター付きのジャンパ受栓が特徴である。
側面はほぼ原形のままである。
屋根上はほぼ原形のままである。
床下はほぼ原形であるが、JR東海では1990年以降床下機器が台車を含めグレーで塗装されている。

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