各种问题的改进，比如加宽曲轴轴瓦并把主轴承改成滚动轴承，及改良液力传动装置控制阀的制造工艺，使机车故障率得以大幅下降。从1966年起，DD51型柴油机车的运用范围进一步扩大到北海道、信越本线、中央本线等地区。在DD51型柴油机车的全盛时期，其踪影遍及除四国地方以外的日本全国各地，是推进日本国铁非电气化干线无烟化的主要动力。此后，随着主要干线的电气化改造逐渐完成，加上客车列车和货物列车的开行数量减少，许多DD51型柴油机车已经在国铁末期除籍报废。截至1987年4月1日国铁分割民营化之前，全数649台DD51型