בשנת 1933, החליטה הרכבת לשפר את יעילות הנסיעה באמצעות שיתוף פעולה עם חברת אוטובוסים, שהפעילה שירות אוטובוס משלים לתל אביב מתחנת ראש העין, בהתאם לזמני הרכבות, ושירות משלים לירושלים, מתחנת הרכבת לוד (עד לאותה עת נאלצו הנוסעים מתל אביב לחיפה לבצע את המעבר בתחנת לוד, הסמוכה לדרך יפו–ירושלים, ובה גם עבר קו הרכבת יפו–ירושלים, דבר שהאריך מאוד את זמן הנסיעה). שיתוף פעולה זה הוביל לזמן נסיעה קצר יותר מחיפה לתל אביב ולירושלים.
במרד הערבי.
עם פרוץ המרד הערבי הגדול הפכה אף הרכבת המנדטורית למטרה לחבלות. נזקים ניכרים נגרמו למסילות הרכבת ולציוד נייד והנהלת הרכבת נקטה בצעדים שונים כדי להגן על פעילותה. הוקם משמר הרכבת ונבנו נקודות משמר מבוצרות ליד גשרים וצמתים מרכזיים של רשת המסילות והופעלו סיורים קבועים לאורך המסילות. תחילה היו אלה סיורים רגליים, אולם עד מהרה קם הצורך לבצע את הסיורים בכלי רכב ממוגנים. במוסכי הרכבת בקישון נבנו קרוניות משוריינות, אשר צוידו בחצובות לכלי נשק ובזרקורים ואלה נעו על המסילות ביום ובלילה. כאשר אף קרוניות אלה היו למטרה למיקוש, נבנתה בחזיתן עגלה מיוחדת, בת ציר אחד, אשר חוברה לקרונית במוט ארוך, כך שתגרום לפיצוץ המטען ללא גרימת נזק לקרונית. לעיתים אף הושיבו חיילי הסיור על העגלה תושבים ערבים, כבני ערובה. המאורעות ולצידם החבלות במתקני הרכבת, המשיכו עד להפוגה במרד בחודש ספטמבר 1936.
לצד הפגיעה בתשתית הרכבת הופעל גם טרור שכוון בעיקר לנוסעים היהודים ברכבת, שכלל זריקות אבנים בסמוך למקומות יישוב ערביים (לדוגמה, באזור תחנת טול כרם), והתנכלויות לנוסעים היהודים בידי נוסעים ערביים. טרור זה גרם לבעיות ביטחון קשות לנוסעים היהודיים ברכבת.
בחמשת החודשים הראשונים של שנת 1937 הייתה עלייה בתנועת הנוסעים ובהכנסות הרכבת והסתכמה בסך 423,038 ליש"ט, 82,000 ליש"ט יותר מן התקופה המקבילה בשנת 1936. במאמץ לעודד את תנועת הנוסעים הנהיגה הרכבת המנדטורית, בחודש אוגוסט 1937, מחירי נסיעה מוזלים בסופי השבוע בקו חיפה-תל אביב. נסיעה בקו זה נמשכה 2:20 שעות באותה עת. אולם פריחה זו בתנועת הנוסעים הייתה זמנית בלבד ועם התחדשות מאורעות המרד הערבי, בחודש ספטמבר 1937, שבה הרכבת והייתה למטרה לפורעים. ב-14 באוקטובר 1937 הותקפה רכבת הנוסעים האחרונה לאותו ערב בקו חיפה-לוד, מצפון לראש העין והורדה מן הפסים. אף שאיש מן הנוסעים לא נפגע ושניים מן הפורעים נהרגו בידי חיילים שהיו על הרכבת, האירוע גרם לירידה משמעותית במספר הנוסעים ולזמן מה בוטלו רכבות הנוסעים לאחר רדת החשיכה. שנת 1938 הייתה אחת השנים הקשות לרכבת המנדטורית והיא עמדה בהתקפות וחבלות בלתי פוסקות על מתקניה ופעילותה. במהלך השנה נרשמו כמעט 700 מקרי חבלה נפרדים ברכבת, 44 רכבות הורדו מן הפסים וחלקן ניזוקו באופן קשה, 33 קרוניות סיור הותקפו וניזוקו, 27 מבני תחנות חובלו וחלקם נהרסו כליל ו-21 גשרים ומעבירי מים ניזוקו. ב-5 בספטמבר 1938 הותקפה רכבת משא בין ירושלים ללוד והורדה מן הפסים, תוך גרימת נזק כבד למסילה, אירוע זה גרם לסגירת הקו לירושלים עד לסוף השנה, אז חודשה לירושלים תנועת המטענים בלבד. בשעות הבוקר של אותו היום הייתה אף תחנת הרכבת לוד מטרה להתקפה, מנהל העבודה מאיר בנבנישתי ופקיד הרכבת, משה שטרנפלד, נורו ונהרגו במשרדיהם, בעוד נוסע יהודי שעמד בתחנה נורה בידו ונפצע. הפורעים נמלטו ולא נתפסו. ב-24 בספטמבר 1938 נותקה מסילת הרכבת בין לוד לקנטרה עקב שורה של חבלות, לאורך 75 ק"מ בקטע שבין יבנא לרפיח. התנועה חודשה רק מקץ שבוע ימים ואף אז נעשתה במתכונת מצומצמת. החל מחודש נובמבר 1938 נדרשו נוסעים בדרכים בארץ ישראל להציג מסמכי נסיעה, דבר שגרם לירידה נוספת בתנועת הנוסעים.
מלחמת העולם השנייה.
בשנות מלחמת העולם השנייה גדלה פעילות הרכבת באופן חד. הדבר התבטא הן במספר הנוסעים בשנים 1944–1945, שגדל פי שלושה ממספרם בתקופה שבין 1938–1939, והן בהכפלת כמות הסחורה ששונעה ברכבות. בשנת 1939 הפעילה הרכבת 62 קטרי רכבות לקו הראשי וכן 14 קטרי עיתוק. בקו הרכבת הפרברית בין חיפה לקריות פעלו שני קרונועי קיטור מתוצרת Sentinel-Cammell. הרכבת המנדטורית אף הגדילה את מצבת העובדים במחצית הראשונה של שנות ה-40 ומספרם עלה על 7,000 איש. בשנת 1942 התמודד הצבא הבריטי עם הצורך להעביר כוחות וציוד צבאי למצרים, כדי להילחם בכוחות קורפוס אפריקה בפיקודו של גנרל ארווין רומל אשר התקדמו לעבר מצרים. כחלק מן המאמץ לייעל את תנועת הרכבות מנמל חיפה דרומה לעבר קהיר, נפתח בחודש אוגוסט גשר פירדאן מעל תעלת סואץ, אשר איפשר נסיעה רצופה מחיפה ועד קהיר. בחודש אוגוסט נפתח אף לתנועה קו חיפה-ביירות ובחודש דצמבר הושלמה המסילה עד טריפולי ובכך הושלם קו חיפה-ביירות-טריפולי (אנגלית: Haifa-Beirut-Tripoli Line, ר"ת HBT). לצורך בניית הקו נחצבו בין השנים 1941–1942 בידי חילות ההנדסה של דרום אפריקה ושל ניו זילנד מנהרות הרכבת בראש הנקרה והמסילה נפתחה לשימוש ב-24 באוגוסט 1942.
ב-1943 נבנתה שלוחת רכבת מתחנת הרכבת כפר ג'יניס מערבה למחנות הצבא הבריטי בתל ליטוינסקי וזאת על מנת להוביל פצועים לבית החולים (מסילת הרכבת לתל ליטוינסקי).
שנותיה האחרונות של הרכבת המנדטורית.
עם תום מלחמת העולם השנייה חל צמצום ניכר בקוויה של הרכבת המנדטורית. שלושה אירועים מרכזיים, בשנת 1946, הביאו לצמצום זה:
הרכבת המנדטורית במחצית שנות ה-40 הסיעה רק חלק קטן מתנועת הנוסעים בארץ ישראל. רוב הנוסעים בארץ העדיפו להשתמש בשירות האוטובוסים. תנועת רכבות המשא בתקופה זו הייתה ערה יותר ועיקר המטענים ששונעו היו גרעינים, מוצרי אספקה, מלט וחומרי בנין, מטענים כבדים שהגיעו לנמלי הים, פוספטים והדרים ליצוא וכן דלק לצריכה מקומית. שנת 1946 הייתה אחת השנים הקשות ביותר לרכבת המנדטורית. ב-14 באפריל פרצה שביתה כללית ברכבת, אשר שיתקה את תנועת הרכבות לחלוטין למשך 10 ימים. שני ארגוני העובדים ברכבת שיתפו פעולה בשביתה זו, איגוד פועלי הרכבת הערבי והאיגוד הבינלאומי של פועלי רכבת, דואר וטלגרף (אנגלית: International Union of Railway, Postal and Telegraph Workers).
1946–1948: כרוניקה של התקפות.
החל מחודש אפריל 1946 ובמשך שנת 1947, ידעה הרכבת המנדטורית רצף של חבלות במסילותיה ובמתקניה, שבוצעו על ידי האצ"ל, הלח"י, הפלמ"ח וגורמים נוספים לא מזוהים. עלות תיקון חבלות אלה בשנים 1946–1947 לבדן, הוערך בסכום העולה על 300,000 ליש"ט. על אף כמות החבלות ניסתה הנהלת הרכבת להמשיך ולקיים את שירותיה בסדירות ואף נרקמו תוכניות לחיבור מסילותיה של הרכבת המנדטורית לרשת המסילות האירופית דרך לבנון וטורקיה.
שלהי המנדט הבריטי.
לאחר כ"ט בנובמבר, משפרצה בארץ מלחמת העצמאות, בה היו מעורבים ארגוני לוחמים יהודים וערבים, בלטה הסולידריות בין שני העמים בקרב פועלי הרכבת המנדטורית. סולידריות זו הגיעה לשיאה באירועי טבח בתי הזיקוק: בבוקר יום ה-30 בדצמבר 1947 תקפו לוחמי אצ"ל, מתוך מכונית חולפת, קבוצה גדולה של פועלי-יום ערבים שהמתינו בכניסה לבתי הזיקוק לנפט במפרץ חיפה. כתוצאה מן ההתקפה נהרגו שישה פועלים ו-42 נפצעו. מיד אחר כך, פרץ המון זועם לשטח בתי הזיקוק והרג 41 פועלים יהודים אשר עבדו שם ופצע 49 אחרים.
שמע המאורעות הגיע עד מְהֵרָה למוסכי הרכבת בקישון, הנמצאים בקרבת מקום. אף שמספר פועלים ערבים צעירים ביקשו לנקום בפועלים יהודים, התערבו ראשי איגוד פועלי הרכבת הערבי, מנעו פעולות נקם ודאגו ללוות את הפועלים היהודים לבתיהם בבטחה.
ב-27 בפברואר 1948 התפרסם בעיתונות המקומית מכתבו של ארתור קירבי (A.F. Kirby), מנהלה השלישי והאחרון של הרכבת המנדטורית, בו הוא משבח את עובדי הרכבת היהודים והערבים אשר למרות התקפות וחבלות מצליחים לקיים את שירותי הרכבת בארץ ומוחה על חוסר ההערכה לו זוכים עובדים נאמנים אלה. קירבי קרא לצדדים הלוחמים להפסיק להתנכל למסילות הרכבת והבטיח כי הרכבת המנדטורית תמשיך לפעול ככל שתוכל.
קירבי דיווח כי נכון לאותה עת היו 50 מעובדי הרכבת במהלך טיפול רפואי לאחר שנפצעו כתוצאה מן החבלות. החל מחודש דצמבר 1947 החלה תופעה של שוד רכבות ובשלושה חודשים נשדדו מרכבות בארץ כ-70 טון חיטה, 120 טון שעורה, 28 טון אורז, 200 טון קמח ולא יותר מ-40 טון סוכר. למרות החבלות, פעלו עדיין בחודש פברואר המסילות שבין חיפה ללוד ובין לוד לירושלים, אולם המסילה בין לוד לתל אביב ויפו נסגרה לתנועה לאחר חבלות חוזרות ונשנות. החל מ-1 במרץ 1948 הפסיקה הרכבת המנדטורית למכור כרטיסי נסיעה ליעדים מחוץ לגבולות ארץ ישראל, או לקבל משלוחי סחורות בינלאומיים.
הרכבת המנדטורית הודיעה באופן רשמי על הפסקת פעולותיה בארץ ישראל, מטעם הממשלה הבריטית, ביום 1 באפריל 1948, אולם בפועל המשיך לפעול שירות רכבות מצומצם של הצבא הבריטי.
ב-22 באפריל 1948 העלו באש לוחמי ההגנה את בית חורי בהדר הכרמל בחיפה, זאת לאחר שהתבצרו בו צלפים ערבים אשר ירו לכיוון השכונה היהודית. הבניין שימש כמטה הרכבת המנדטורית ובשריפה אבדו לעד רבים מן המסמכים אשר תיעדו את פעילותה בארץ ישראל. למרות זאת העביר מנהל הרכבת, קירבי, את מטהו לתחנת הרכבת חיפה מרכז, בניסיון להעביר באופן מסודר את נכסיה של הרכבת המנדטורית לרשויות המדינה העצמאית.
בשטחה של מדינת ישראל תפסה את מקומה רכבת ישראל, שנסיעה ראשונה שלה נערכה כבר בראשית מאי 1948, קודם הכרזת העצמאות.
מסילות ותחנות.
המסילות העיקריות אותן הפעילה הרכבת המנדטורית היו:
הרכבת אף הפעילה מסילות שלא בבעלותה:
מחוץ לגבולות ארץ ישראל הפעילה הרכבת את המסילות הבאות:
שלוחות.