開業時は10両だったが合併直前には69両になった。有蓋貨車ワム101、102、301、302、ワブ305、306、700、テム200-203ほか1両、無蓋貨車ト1201-1204、トム501-506、701-708、902、903、1205-1211、フト801-806、リ1700-1716、リブ1600-1602、チキ3000ほか3両土運車リ1700-1716（→国鉄リ2100-2116）、リブ1600-1602（→国鉄リフ2050-2052）がいるのは工場近くでセメント原料の粘土を採掘しておりそれを輸送するため。大久野駅構内で使用していた
在籍していたのは開業時に日本車輌で新製した4輪客車6両のみ。ガソリンカーの登場により主役を譲り団体などで使われるようになった。開業時は四輪三等客車4両（ハ51-54）、四輪三等客車手用制動機付2両（フハ91-92）。1925年度にフハ91-92を三等手荷物車合造車に改造しハニ2001-2002に改番、1927年度にハ53-54に手用制動機を取り付けフハ153-154に改番、1930年度にハニ2001-2002の手荷物室を廃しフハ91-92に改番している。南武鉄道を経て6両とも三菱水島の専用鉄道（水島工業都市開発→倉敷市営→水島臨海鉄道）へ譲渡された。
開業にあたり機関車2両（1・2、ドイツコッペル製）四輪三等客車4両（ハ51-54）、四輪三等客車手用制動機付2両（フハ91、92）（日本車輌製造製）、四輪有蓋貨車2両（ワム101、102）、四輪無蓋貨車8両（ト501-506、木材車チ1001-1002）が用意された。1930年7月拝島-立川間開業とともにガソリンカーを導入した
日中戦争が開戦し戦時体制のなか陸上交通事業調整法が1938年（昭和13年）8月に施行された。五日市鉄道は輸送の円滑化を図るためとして南武鉄道と合併することになり、1940年（昭和15年）4月18日に合併契約を締結しこれは5月7日に双方の株主総会において承認されて5月17日に合併認可申請書を提出した。そして8月30日認可を受け9月1日実施し南武鉄道五日市線となった。旧五日市鉄道従業員は引継がれ、五日市鉄道は解散した。その後戦争の激化に伴い南武鉄道は青梅電気鉄道とともに石灰石、セメント輸送の重要性から国に買収されることになり（詳しくは戦時買収私鉄を参照）1944年（昭和19年）4月1日に国有鉄道五日市線となった。しかし並行した立川駅 - 拝島駅間については旧青梅電気鉄道は複線化工事中で沿線には軍事上重要な施設があったことから残り旧五日市鉄道線は不要不急線として休止となった。軌条は撤去され福井県の金津駅-芦原駅間に転用された。なお西立川駅から分岐して南武線に連絡するルート上にある立川駅-武蔵上野原駅間は撤去されず貨物列車直通に使用され青梅線の一部となった。
当初ふるわなかった旅客輸送であるが、多摩地区には日帰り行楽客がみられるようになった。1935年（昭和10年）にオリンピックの東京開催が決定すると多摩の各地で選手村、競技場、練習場誘致運動が活発化し、外国人観光客目当てで多摩の景勝地にハイキングコースが新設された。また東京市がハイキングコースを選定し（東京市選定市民健康路）青梅電気鉄道御嶽駅、五日市鉄道武蔵五日市駅を起終点としたコースが設定された。西多摩を訪れるハイキング客は急増し1937-38年にはピークとなった。このころ100人乗りのガソリンカーを新製しさらに東京横浜電鉄から120人乗りガソリンカーを購入している。1940年（昭和15年）の運行状況は1日16往復（内10往復が武蔵五日市駅止まり）であった。
第34回では自身初のゼッケン98番で出場。1stでは前回失敗したダブルペンダラムも問題なく突破しクリア。(この大会からクリアタイムの速さにあまりこだわりを見せなくなった)2ndも危なげなく突破。第32回以来となる3rd STAGE進出となる。しかし、川口のスタート前に小雨が降りはじめ、一時中断。雨は止んだが、念のためセットに屋根をかけてのスタートとなる。自身初のウルトラクレイジークリフハンガーまでたどり着き、1本目から2本目の飛び移りには成功したものの、可動式の3本目に飛び移ったがここで落下してしまいリタイアとなった。第35回では自身2度目のゼッケン99番で出場。また、この回から転職した自身のクライミングシューズメーカーのTシャツを来て競技を行うようになり、1stクリアの際にはそのTシャツを指を指してアピールするジェスチャーを行うようになった。1st STAGEは好調でクリアしたものの、2nd STAGEのバックストリームで水を飲んで息が苦しくなってしまい、一時は前に進むのを止め諦めかけるも、他の新世代組の励ましや日置の「諦めんなよ！行け！」という檄を飛ばされたこともあって再度勢いをつけスパートを掛け、残り0.18秒でギリギリのクリアとなった。クリア後には上述の日置から「バカヤロー！」「あいつ諦めそうになってた」と心配からくる苦言を呈されていた。また、次の挑戦者である森本に川口は「大丈夫、水飲んだだけだから」と励ましていた。3rd STAGEでは前回リタイアしたウルトラクレイジークリフハンガーをクリアするも、バーティカルリミットの1段目から2段目に移動するときに親指のかけ方を誤り落下、リタイアとなった。第36回もゼッケン99番で出場。1st STAGE、2nd STAGEともに目立ったパフォーマンスこそないものの手堅く突破した。3rd STAGEではサイドワインダーで爪が割れてしまい、それが祟ったのか過去1度もリタイアしたことのないウルトラクレイジークリフハンガーの1回目の跳躍でまさかの落下。