מהמסילה הראשית נמתחו במרוצת השנים עוד שלוחות משניות רבות. לרוב היו אלו מסילות שאורכן לא עלה על קילומטרים ספורים ואשר שימשו לחיבור בין המסילה הראשית למחנות צבא או מפעלים גדולים. בין המסילות הללו ניתן למנות את המסילה שנבנתה ב-1930 והובילה לבית החרושת "שמן" במפרץ חיפה, את המסילה שהובילה למחנה הצבא הבריטי בקרבת נשר ומסילה ששרידיה נמצאים בתחומי חיפה ואשר נמתחה לאורכו של ואדי רושמייה וחיברה החל משנות העשרים של המאה ה-20 את המסילה הראשית למחצבות שהיו בקצהו של הואדי.
מלחמת העולם הראשונה.
עם פרוץ מלחמת העולם הראשונה היוותה הרכבת את אחד הנכסים האסטרטגיים שהיו בידי העות'מאנים. מסילות הברזל, שהיו אמצעי הניוד המודרני היחידים בארץ ישראל כולה, גויסו חיש מהר לטובת הצבא שהחל משתמש בהם כדי לשנע גייסות שלמים ואספקה רבה אל חזית הלחימה. באותה המידה, ומסיבה זו, הפכו המסילות מטרה מועדפת להתקפותיהם של הכוחות הבריטיים.
שתי הסיבות לעיל הובילו לצמצום ניכר של השימוש ברכבת למטרות אזרחיות. כדי לשפר את השליטה והתזמון ברכבות הועבר הפיקוח לידי הצבא, שהשתלט על מנהלת המסילה החיג'אזית וקירב אותה לחזית על ידי העברת משרדיה מדמשק לחיפה. המסילה חולקה לשלוש חטיבות שבראש כל אחת מהן הועמד מפקד מטעם הצבא שהיה מהנדס במקצועו. החטיבות היו:
כבר בתחילת המלחמה הוטל מצור ימי על חופי הארץ ורשת הרכבות החלה סובלת ממחסור חמור בחלקי חילוף וחומרי גלם בסיסיים לתפעולה השוטף. המחסור החמור ביותר הורגש עם אזילתו של מלאי פחם האבן ששימש להסקת תנורי הקטרים. הפחם, שהובא עד לאותה תקופה בדרך הים, שימש לתנועת הרכבות אל חזית הדרום ותוך זמן קצר אזל המלאי לחלוטין. קברניטי חברת הרכבת ניסו למצוא פתרונות שונים במטרה להתגבר על המחסור בדלק לקטרים. בין היתר נעשו ניסיונות לכריית פחם בלבנון, אולם היה זה פחם מאיכות ירודה שהסב נזק לקטרים.
הפתרון היעיל ביותר אשר נמצא היה השימוש בפחם עץ ואף בהבערת עצים חיים בכבשני הקטרים. עם המעבר לשימוש בעצים החלו השלטונות העות'מאנים במפעל כריתת יערות רחב ממדים, אשר סיפק עץ להנעת הקטרים כמו גם לייצור אדני המסילות ההולכות ונבנות. על אף יעילותו הנמוכה של העץ כחומר בעירה (תפוקת הקטרים שפעלו על עץ ירדה בכ-30%), לא נותרו לקברניטי הרכבת ברירות רבות ומפעל כריתת העצים הלך והתרחב. במסגרת מפעל זה הוקמו שתי שלוחות נוספות של רכבת העמק. הראשונה - מסילה מטול-כרם אל אזור יער חדרה, והשנייה מסילה שהתפצלה מהמסילה המקורית והובילה אל יערות העצים שברמות מנשה.
בתקופה זו נכרתו שטחים נרחבים של יער טבעי ארץ ישראלי. יער האלונים שבגבעות אלונים לדוגמה, הושמד כמעט לחלוטין במסגרת מפעל הכריתה. השלטונות חתמו חוזים לכריתת עצים גם במקומות שאינם סמוכים למסילה. עצים אלו שונעו בעגלות אל תחנות מילוי המים של הרכבת ומשם הועמסו על קרונות מיוחדים. כשראו ראשי הצבא כי מלאי העצים הטבעי של הארץ קרוב לכליה, הוציא המושל המקומי גזרה לפיה ייכרת כל עץ פרי עשירי בכל פרדס ומטע לטובת המאמץ המלחמתי.
המפנה בשימוש ברכבת במסגרת קרבות מלחמת העולם הראשונה הגיע כאשר באביב 1918 השתלטו כוחות בריטיים על מספר נקודות שולטות לאורך קטע המסילה שבערוץ הירמוך וניתקו את מערכת הרכבות שבארץ ישראל מזו של שאר האימפריה העות'מאנית. עם תבוסתם של העות'מאנים בחודש ספטמבר של אותה השנה מיהרו הכוחות הנסוגים להשמיד את ציוד מסילת הברזל כדי שזה לא ייפול בידי האויב הבריטי, ועם תום המלחמה עברה מסילת רכבת העמק לידי ממשלת המנדט הבריטי.
רכבת העמק בתקופת המנדט.
ב־1 באוקטובר 1920 הוקמה חברת P.R - Palestine Railways ("מסילות ברזל פלשתינה") שהייתה מנהלת המסילות של ממשלת המנדט הבריטי. החברה הייתה חברה כלכלית שהייתה כפופה למרותו של הנציב העליון ובאחריותה נכללו כל מסילות הברזל הנמצאות בשטחי המנדט. אולם הבעלות הממשית על המסילה בפועל הייתה מפותלת ובלתי ישירה. בשנת 1912 העבירו הטורקים את הבעלות הרשמית על המסילה החיג'אזית לידי הווקף (ההקדש) המוסלמי, וזאת במטרה למנוע ניסיון השתלטות על המסילה על ידי ממשלת צרפת שחששה מהפגיעה החמורה ברווחיות המסילה הצרפתית ופנתה לבית הדין הבינלאומי בהאג כדי שיפסוק לטובתה.
עם כיבוש הארץ על ידי הבריטים המשיכה המסילה החיג'אזית להיות בבעלותו הרשמית בלבד של הווקף. ממשלת המנדט מינתה את עצמה כ"נאמן מטעם הבעלים" לתפעול השוטף של המסילה ואילו חברת P.R הייתה המפעילה בפועל בשביל ממשלת המנדט. עם תחילת פעילותה של החברה הבריטית החדשה נקבע כי תחנת ההפרדה בין קטעי המסילה שבידי הבריטים לבין אלה שבידי הצרפתים, שליטיה החדשים של סוריה, תהיה תחנת צמח. תחנת הרכבת צמח הייתה התחנה האחרונה שבתחום שלטון המנדט הבריטי, כאשר שלטון המנדט הצרפתי החל בתחנת אל-חמה (הגבול היה 7 ק"מ מצמח, בין הגשרים אל-האווי ואל-באננה).
במסגרת ההסכמים שנחתמו מול הצרפתים חולקו הקרונות והקטרים שפעלו לאורך המסילה החיג'אזית בין שתי המעצמות. הציוד שנתקבל במסגרת הסכמים אלו המשיך לשרת ברכבת העמק לכל שנות קיומה, וזאת כיוון שרוחבם הלא סטנדרטי של המסילות חייב שימוש בציוד מיוחד, אשר לבריטים לא הייתה כל כוונה לייצרו. הציוד היחיד אותו רכשו הבריטים במיוחד לצורכי המסילה שבעמק היו זוג קרונועי קיטור מתוצרת חברות "סנטינל" (Sentinel) ו"קמל ליירד" (Cammell Laird) הבריטיות (הראשונה בנתה את מערכת ההנעה, השנייה את מרכבי הקרונועים), שהובאו לארץ בשנת 1929 והיו בשימוש בקו שבין צמח לחיפה.
בתקופת המנדט חלה עלייה נוספת בתדירות נסיעת הרכבות במסילת העמק. בין חיפה לסמח' נסעו שתי רכבות בכל יום, כאשר לפחות אחת מהן המשיכה עד לדמשק. בקו עכו-תל חנן הופעלו שלוש רכבות יומיות ובקו חיפה שכם הופעלה רכבת שבועית שעברה דרך עפולה. בתקופת המאורעות (1936–1939) נסעו בקו רכבת העמק חמש רכבות ביום כאשר רכבת הבוקר המוקדמת החלה את מסעה מקרית חרושת והביאה פועלים לחיפה ואילו רכבת הערב החזירה את הפועלים לקריית חרושת. בתקופת מלחמת העולם השנייה הגיעה תנועת הרכבות בקוי העמק לשיא: שש רכבות יומיות בין חיפה לצמח וחזרה. בעת המערכה בסוריה ובלבנון היא פלישת הצבא הבריטי מארץ ישראל לסוריה ולבנון, על מנת לשחררן משלטון וישי, שנמשכה מ-8 ביוני עד 14 ביולי 1941, שימשה רכבת העמק אמצעי להובלת גייסות וכלי נשק ולפינוי פצועים.
גם חבילות התיור שבו להיות פופולריות עם החלת המנדט הבריטי על ארץ ישראל. החבילות, שבעבר כללו נסיעה ברכבת ושייט בספינה על פני הכנרת שודרגו ומעתה כללו גם אירוח מפואר וניוד בעזרת מטוסיה של "חברת התעופה האימפריאלית" (גלגולה הראשון של חברת "בריטיש אירווייז") שנחתו בעזרת כני נחיתה מיוחדים על מי האגם הצפוני.
הרכבת וכלכלת הארץ.
בשנים הראשונות לשלטון המנדט הבריטי בארץ ישראל חל שינוי בהבטי תפיסת ההפעלה של רשת מסילות הברזל ובראשן רכבת העמק. מטרותיו העיקריות של הממשל: שימור כוחה האסטרטגי והכלכלי של האימפריה תוך הימנעות מהעמסת נטל כספי על כתפיו של משלם המיסים שמעבר לים, פגעו במעמדה של הרכבת שלא תרמה בצורה יוצאת דופן לחיזוק השליטה הבריטית מחד, ומאידך הפכה עם השנים למיושנת ודרשה ממון רב לצורך עבודות התחזוקה השוטפות.
אחת הסיבות המרכזיות לשינוי במעמדה של רכבת העמק בתקופה זו הייתה עצם היותה בנויה על מסילה שאינה תקנית. במשך שנים רבות רצתה ממשלת המנדט להסב את המסילה לגודל תקני כחלק מהקו העתידי בין בגדאד לחיפה. בנייה זו אמורה הייתה להתבצע במקביל עם הנחת קו הנפט בין עיראק לארץ ישראל. אולם, הסבת המסילה לרוחב הסטנדרטי הייתה גוזלת את מרבית ההון שבקופת אוצר ממשלת המנדט, ולכן נמנעו שליטי הארץ מלנקוט בפעולה שכזו. כך החלה המסילה הופכת בהדרגה למיושנת וחסרת תועלת, ועם ההתפתחות המהירה של מערכת הכבישים הפנים ארצית שחלה בשנות השלטון הראשונות של הנציבים הבריטים החלה הרכבת מאבדת מכדאיותה הכלכלית בהובלת אנשים ברחבי הארץ.
בין הסיבות המעטות שתמכו בשימור הרכבת הקשישה היו היות הרכבת צורכת פחם אבן שיובא באותו הזמן מבריטניה (רק עם סגירת נתיבי הים בזמן מלחמת העולם השנייה הוסבו הקטרים לשימוש בדלק נוזלי, מזוט) כמו גם אבטחת יכולת הניוד הגבוהה של ציוד רב ובזמן סביר יחסית בשעת חירום.
לאור השינוי במעמדה רתמו קברניטי הארץ את שירותיה של הרכבת לטובת מפעלי הבנייה והיישוב שהחלו באותן השנים. בתחילה, בשנות העשרים המאוחרות של המאה ה-20, סייעה הרכבת בהובלת חומרי הגלם והפועלים אל האתר בו נבנתה תחנת החשמל של פנחס רוטנברג בנהריים. לצורך משימה זו עברה המסילה שעברה בקרבת המפעל, נבנתה תחנת רכבת בתחום המפעל וכן נסללה שלוחה לתוך המפעל עצמו.
בשנת 1932 הובילה הרכבת את צינורות הבטון בעזרתם בנו הבריטים את קו הנפט שבין מוצול בעיראק לחיפה. בתקופה זו הועברו ברכבת 38,000 טון של צינורות אשר הונחו לאורך 200 קילומטרים.
גם ההתיישבות היהודית הטרייה נעזרה רבות בשירותי הרכבת. בעזרתה של המסילה התאפשרה ההגעה אל מעמקיו של עמק יזרעאל, ובעקבות כך החל גידול משמעותי באוכלוסייה היהודית של האזור. בימינו ידוע כי החומרים בעזרתם הוקמו המגדלים והחומות במרבית מיישובי חומה ומגדל שבעמק יזרעאל, הובאו למקום על ידי הרכבת. התרומה המשמעותית ביותר שהעניקה רכבת העמק ליישובים הצעירים זכתה לכינוי "רכבת החלב".