東海道・山陽本線の電化が進展しつつあった1950年代後半、北海道の函館本線で運行されていた対本州連絡急行は、特に急勾配と急曲線が連続する長万部 - 小樽間（通称：山線）でのD51形重連運用と、函館 - 長万部間（通称：海線）での高速運転により乗務・検修の双方に多大な負担を強いていた。前者の形式はストーカー非装備だったことから機関助士2人による人力投炭を強いられた。後者は振動と各回転部の異常磨耗で検修陣に負担がかかっていた。そこでそれらの諸問題の解決策として、所要両数に余裕が生じ、不調機から保留車が出始めたC62形を、軽軸重形に改造の上で転用投入する案が持ち上がり、まず1956年（昭和31年）9月15日にC62 3が梅小路から発送され、苗穂工場に入場、軸重軽減改造の上で試験運行が実施された。その結果は良好で、破格の大形機故に危惧されていた軌道負担増大の問題についても、保線側で充分対応可能な範囲に収まったことから、翌1957年（昭和32年）の初頭に好調機は山陽本線を担当する各区へ配置し、その選に漏れた不調気味の保留車・余剰車から函館本線へ転用する方針が決定。こうして6両が選出され、D52形から流用されていた戦時設計による粗製濫造ボイラーの新製交換と、軸重軽減改造とを施工した後、小樽築港機関区へ転属の手続きがとられた。 まず、1957年（昭和32年）2月に4両（C62 2・27・30・32）がC62 3とともに急行「大雪」の牽引（函館 - 小樽間）に充当された。続いて3月に梅小路からC62 44、10月に宮原からC62 42が加わり、計7両が「大雪」・「まりも」・「アカシヤ」などの急行列車牽引に使用された。最も過酷な使用条件の山線区間の急行運用はD51形重連からC62形重連、または前部補機D51形と本務機C62形による重連に変更された。この運用では、除煙板に「つばめマーク」が取り付けられたC62 2が重連の先頭に立つことが多かった。これはファンサービスが目的ではなく、前補機は長万部駅でその日のうちに折り返して検修陣の待つ小樽築港機関区に帰着できるためである。つまり、翌日まで基本的に検修がノータッチとなり、しかも海線での高速走行を行う本務機と比較して、運用による負担が軽いため、後述のとおり東海道時代から不調気味で乗務員から信頼の薄いC62 2を前補機として限定運用することは、後述する検修責任者へのインタビューでの回答にもあるように、検修側・運用側の両者にとって望ましかったとされる。一方でC62 32・44は好調機と評価され、優先的に本務機の運用に充当されたことが知られている。急行「大雪」のC62形牽引時代末期には、通常期に客車が減車されたため、多客期以外の同列車では基本的に単機牽引となっている。乗務員経験者のインタビューでは「小樽のC62は1両1両特徴がありました、2号機は息づかいが弱いというか力がなかった、3号機は安心して乗れるカマでした」と答えており、また検修責任者も「2号機は蒸気騰がりが良くなくて、できるだけ函館までの往復仕業には投入しないようにいていた」また「2号機の廃車を何度も札幌鉄道管理局に要請したが聞き入れてはもらえなかった、人気のある車両だったからでしょうか」とも答えているまた、函館本線の七飯 - 大沼（旧：軍川）間については、1966年（昭和41年）10月1日に下り線の上り勾配緩和のために建設された、通称：「藤城線」と呼ばれる下り線専用の新線が開通する前は、上下列車とも、渡島大野駅（現・新函館北斗駅）・仁山駅（旧：仁山信号場）を通る、仁山越えの従来線経由で運転されていたが、下りの旅客列車のうち、優等列車をはじめとする編成の長い旅客列車については、本務機はC62形、後部補機はD52形、またはD51形という形で運転されていた。ただし、C62形牽引時代末期の急行「大雪」については、通常期には、前述のとおり減車されていたため、下り列車の仁山越えの区間でも、補機の連結なしの本形式による単機牽引だった。しかし、1961年（昭和36年）10月1日ダイヤ改正（サンロクトオ）で急行「アカシヤ」が廃止されると、以後は客車急行の気動車化が進んでいく。さらに同ダイヤ改正で北海道初の特急「おおぞら」が新設されたことを契機に、函館 - 札幌間のメインルートが函館本線（小樽駅）経由から室蘭本線・千歳線経由に移行していく。この時期には、間合い運用として函館 - 札幌間の夜行準急・急行「たるまえ」→夜行急行「すずらん」（いずれも室蘭本線・千歳線経由）の函館 - 長万部間や、函館 - 網走間（函館本線・石北本線経由）の夜行準急・急行「石北」の小樽 - 旭川間の牽引も担当するとともに、優等列車ばかりでなく、函館本線の普通列車の一部も牽引した。1962年（昭和37年）10月1日ダイヤ改正では急行「大雪」が全区間C62形単機での牽引に変更され、1963年（昭和38年）4月28日付でC62 42が仙台機関区に転出する。同年6月1日には急行「大雪」が気動車急行「ライラック」（キハ56系気動車）に変更され、C62形の急行列車牽引は「まりも」の函館 - 小樽間と「たるまえ」の函館 - 長万部間のみとなり、山線での重連運転は急行「まりも」1往復のみに減少した。1965年（昭和40年）10月1日ダイヤ改正では急行「まりも」が札幌駅を境に急行「ていね」（函館 - 小樽 - 札幌間）と「まりも」（札幌 - 釧路間）に系統分離された。1967年（昭和42年）10月1日ダイヤ改正での運用減に伴い、1968年（昭和43年）2月20日付でC62 27が除籍・解体された。さらに1968年（昭和43年）8月28日には小樽 - 滝川間が電化され、C62形の運用は再び小樽以南に縮小された。同年10月1日ダイヤ改正（ヨンサントオ）では急行「ていね」が「ニセコ」に改称。この下り「ニセコ3号」、上り「ニセコ1号」の1往復（函館 - 小樽間）がC62形で最後の急行列車牽引となった。同年10月18日付でC62 30が廃車となり、小樽築港機関区のC62形は4両（C62 2・3・32・44）に減少した。1970年（昭和45年）には、好調故に本務機に多用され、走行キロ数が伸びていたC62 32・44がDD51形ディーゼル機関車への置き換え計画実施まで1年を残して全検周期に到達、検査を実施するよりも期限未到達の余剰車を軽軸重形へ改造および耐寒設備工事施工の上で転用する方が大幅に安価であった。このため、当該2両はいずれも1971年（昭和46年）6月26日付で廃車となり、代替機として呉線電化で余剰となり、検査期限まで1年以上期間が残っていた2両（C62 15・16）が糸崎機関区から転属した。なお、両機の軸重軽減改造時には交換が必要な従台車はC62 32・44からの廃車発生品を流用し、さらにC62 16のテンダーについてはC62 32のものと交換した。そして1971年（昭和46年）、最後まで重連運転として残った急行「ニセコ」1往復（下り3号、上り1号）が7月18日・8月22日・9月15日の3回に分けて実施された三重連運転を最後にDD51形ディーゼル機関車に置き換えられ、ついに終焉を迎えた。最終日となった9月15日の牽引機は先頭からC62 2・3・16であった。これに伴い、国鉄から蒸気機関車牽引の定期急行列車が消滅した。急行「ニセコ」運用から退いた後、C62 15・16が同年11月24日付で廃車・解体された。C62 2は長万部 - 小樽間の普通列車運用に充当された後、翌1972年（昭和47年）10月10日付で梅小路機関区に転属し、同機関区に併設された梅小路蒸気機関車館にて動態保存されることとなった。C62 3は一時休車を経て、1973年（昭和48年）2月から函館本線の長万部 - 小樽間の臨時普通列車を牽引したが、長万部 - 小樽間の完全無煙化により同年10月1日付で第一種休車となり、1976年（昭和51年）3月19日付で正式に除籍された。C62 3は、小樽市の北海道鉄道記念館にて静態保存された。