昭和24年に奥羽本線に配置された第1次形EF15の1〜8、20〜23号機は福島―米沢間の直流電化に際し板谷峠の33.3‰の勾配と豪雪に対応するため主に以下の改造が施されました。

1. 正面扉と前照灯につらら切りを取り付け
2. 正面扉の窓を固定化、同時に運転室内への通風口を設置。運転室暖房を４個に増強。
3. 警笛の増設・移設（通常の空気笛位置にカバー付きのタイフォンを取り付け。空気笛に汽笛カバーを取り付け助士側屋根上に移設。）
4. 砂箱を増設。砂撒き管にヒーター（150ｗ×24個）を取り付け。それに伴い電動発電機を増設。

このような改造を施して奥羽本線で運用を開始しましたが、勾配を下る際に掛けるブレーキによって機関車、客貨車のタイヤ弛みが頻発し、その緊急処置としてデッキ部分に水の入ったドラム缶を積み、機関車のタイヤを冷やす方法が採られました。しかし、デッキ上からでは落差が少なく水を撒くパイプが詰まりやすいため、その後、屋根上に水タンクが取り付けられました。

さらに、この問題を根本的に解決するため、戦前のEF11で好結果を残した電力回生ブレーキを取り付ける事になり、その取付改造が昭和26年6月〜27年3月にかけて東芝で行われ、新たに勾配用電気機関車EF16（1〜12号機）が誕生しました。この改造は低速な為使用する機会の無い弱め界磁制御を取りやめ、その空いたスペースに回生ブレーキ用の機器を取り付けて行われ、それまでの姿との外観上の変化はデッキ上の回生制動用ジャンパー栓受け（重連時用）が設けられたぐらいでした。

その後、より強力な勾配用EF64形が奥羽本線に配置され、その任を解かれたこれらEF16は11、12号機を除いて昭和40年から順次EF15に復元されました。残された2両も回生ブレーキを上越用に変更し、水タンク、補助笛を除去した姿となり、第2次形EF16と共に上越線で昭和55年の全廃時まで活躍しました。その外観はEF15に復元された物と同じとなっています。

なお、EF16の種車となったEF15の1次形は、当初標識燈は引っかけ式だったため後に埋め込み式に改造されています。そのため、その取付位置が福米形は寒冷地対策で増設された通風口を避けて標準位置より外側に付いていました。また、引っかけ式標識燈時代に8段ヒダまたは7段ヒダだった通風口は、その後すべて6段に改造されたようです。（「標識燈の埋め込み化に合わせて改造されたのでは」H.Nakanoさん）

これらEF16の形態について詳細は、別項のEF15 1次形形態解説をご覧下さい。

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