車体はアルミニウム合金製で軽量化を図った気密構造。初期の先頭車は、形状に合わせて骨を作りアルミ板を叩き出して整形していましたが、P11編成からは炭素繊維の複合材を成形しアルミ車体と合体したものに。ロングノーズデザイン、航空機のようなキャノピー型の運転席で空力特性を追求しています。

2014年新潟デスティネーションキャンペーンの開催に合わせ、車体中央のラインを黄色から朱鷺（トキ）色に変更。この朱鷺色はE1系のリニューアル時に変更した色と同じ色です。側面には朱鷺のイラストも施されました。

トータルデザインコンセプトは「BIG WAVE（雄大）」、エクステリアデザインは「ELASTIC（しなやか）」「WAVEMOTION（躍動、いきいき）」をキーワードに製作。空力性能に合わせた最適な断面積変化率を追求、力強さの中にもしなやかで流れるように脈動するフォルムを実現しました。

入り口を入ると、階上席、階下席へ向かう階段がそれぞれ続いています。階段の中央にある昇降機は、車内販売の商品を移動するために設置されたもの。専用のワゴンのみ搭載可能です。

車内販売ワゴン用の昇降機

昇降機の出口

階上席への階段

階下席への階段

デッキから階段を降りた階下の客室は全車両同じ造りで2＋3列シート。ひじ掛け付き、同色モケットで統一されています。座席幅は2人掛けが各445mm、3人掛けが各435mm。床下に電線と空気用管が入っているため、通路と腰掛床には70mmの段差があります。窓は階上（2階）席より高い位置にあります。

通路と座席には70mmの段差があります。

窓は階上席よりも高い位置に設置

シートのモケット柄

車窓から見えるホームの高さ

普通車自由席として使われる2階席を「階上席」といいます。
1～3（9～11）号車は、自動ドア近くは2＋2列、他は3＋3列シート。
座席幅は2人掛けが各447.5mm、3人掛けは両端が各430mm、中央が450mm。
座席の間に肘掛けは付いていません。

3席ごとにつながったシート

シートのモケット柄

車窓から見えるホームの高さ

指定席としても使われる4～6（12～14）号車の階上席は、階下席と同様に2＋3列シート。座席は階下席と色違いで同じ形状のモケットを使用しています。 階上席は通路と腰掛床に段差はありません。

段差のない通路と座席

ひじ掛けがあり1席ごとに独立したシート

運行開始当初より、アテンダントが売店スペースで、飲料やお菓子、おつまみ等を販売していました。
その後2012年10月頃より、E４系の専用のワゴンを使用した販売スタイルに切り替えていきました。
2020年9月には売店スペースを装飾し新潟の魅力を伝えるとともに、現在では充電サービスの提供やカプセルトイの販売を行っています。

2・4・6（10・12・14）号車にある1階建ての客室。2・4（10・12）号車は2＋3列シートですが、1（9）号車側の自動ドア近くのみ2＋2列シートでお客さまの動線を確保。パンタグラフの下に当たる6（14）号車には2＋2列シートを配置、車椅子対応の座席も用意されています。

階下席に比べて窓の位置は低め

通常の新幹線車両では床下に機器が搭載されていますが、E4系は２階建て車両 のため一部機器は車両の前寄り・もしくは後寄りに搭載、またパンタグラフから取り入れた電気を変圧するための変圧器が3・7（11・15）号車の前寄りにそれぞれ搭載されており、これらの装置を取り巻くように長い廊下が続いています。

7・8（15・16）号車の階上席はグリーン車で、座席幅495mmの2＋2列シート。背もたれのリクライニングに合わせて座面が沈み込むように動きます。8（16）号車には車椅子対応の1人掛けシートがあり、車椅子から移動しやすいようにひじ掛け部分は開閉可能。窓下には乗務員呼び出しボタンも。

レッグレストと足置きのバーでゆったり

最前列はオットマン付き

シートのモケット柄

車椅子用座席はひじ掛けが開く設計

前に席がないシートはテーブル付き

テーブル使用時

車椅子ご利用のお客さまのための昇降装置です。車椅子に乗ったままデッキと階上席を移動できる装置で、操作は乗務員が行います。走行中の揺れなどにも安心してご利用いただけるよう、昇降装置内にセンサーを設けてあります。

昇降装置内では車椅子をしっかり固定

階上席の出口

8両編成を連結させて16両編成（定員1,634名）が可能。上り場面の連結ではまず8号車にあるカバーが開き、後続編成の到着を待ちます。後続編成は走行中に連結の情報を得ると、自動的に9号車の連結器収納カバーを開き、駅に近づいたところで一旦停車。その後、8号車の車掌の誘導により連結します。

先頭となる1号車と8号車はどちらも連結が可能。連結すると圧縮空気と電気を接続し、8両から16両編成に変化します。それまで先頭だった8号車と9号車は前と後ろを表す標識灯が消えて中間車となり、後続編成の号車表示も変わります。

16両から8両編成に分割する際は、それまで中間車両で消えていた8号車と9号車の赤い表示灯が、単独編成になると点灯します。前寄り編成が離れて8両ずつの編成になり、連結器カバーは自動で閉じます。切り離されて停車したままの8両編成も、一定の時間が経つと自動でカバーが閉じます。

階上階と階下階では天井の高さが異なります。通路床から天井までの高さは階上席（1～6・9～14号車）が1955㎜、階下席が1970㎜。階下席の方がわずかに高い設計となっています。

普通車自由席として使われる1～3（9～11）号車のデッキには、2席のジャンプシートがあります。壁から手前に倒して座れる座席で、手を離すと自動に格納されます。

自由席として使われている1～3（9～11）号車の階上席、3列シートの通路側1席のみ、ドリンクホルダーがひじ掛けについています。その他の席は前の席や壁についていますが、この席だけは前が空いているためひじ掛けに設置されています。

中ひじ掛けにはかつて引き出し式の灰皿がついていました。現在は全席禁煙のため固定されて灰皿は使用できなくなっていますが、ひじ掛け自体は現役です。

E4系を連結した16両編成の長さは402.1m。東北新幹線E5系と山形新幹線E3系や秋田新幹線E6系を連結した17両編成（400.95m）よりも長くなります。E3系やE6系は在来線も走るため小型に設計されています。

4～6（12～14）号車の階上席の3列シートは、真ん中の席だけ少し背もたれが前に出ています。座席を回転させる際、前列中央の席にぶつからないよう設計されています。　

メンテナンスの際など車両に電気が通っていない時でも、シールの号車番号で係員は自分が今何号車いにいるかわかります。

ドア幅は両先頭車が2か所のみ653㎜、それ以外のドアは1003㎜になっています。

1～6（9～14）号車のデッキはドアの色がブルー、7・8（15・16）号車だけグリーンです。デッキの色が2種類あるなんて、ご存知でしたか？

デッキから階上席へ向かう階段は6段、階下席へ向かう階段は5段。ただし、8（16）号車の7（15）号車側だけ上下とも5段の直線階段になっています。

赤ちゃん連れの方の授乳やおむつ替え、また体調が優れない方にお休みいただくなど、様々な用途に活用されます。

中間車は屋上に空調を搭載していますが、1・8（9・16）号車のみ室内にも空調を搭載しています。