姫路に配置された2両は加古川線、高砂線、三木線、北条線、鍛冶屋線で使用され、JR西日本に承継された。1990年6月、加古川鉄道部の発足に伴い同所の配置となる。同月から始まる同線のワンマン運転には全て同所のキハ40形が投入され、本形式はワンマン化改造を受けなかった。1994年（平成6年）にサブエンジン式のAU34形冷房装置の搭載を行っているが、機関換装とワンマン化改造が行われないまま1999年（平成11年）に後藤総合車両所に転属した。塗色はJR化後の加古川線における同線専用塗色を経て、1999年（平成11年）の後藤総合車両所への転属時に朱色5号の一色塗りとなっている。後藤総合車両所では山陰本線や境線で運用されたが、2003年（平成15年）10月の山陰本線高速化で定期運用を失った。その後は保留車となっていたが、2009年（平成21年）1月29日付で廃車となった。
1と1001の2両が大阪鉄道管理局管内の姫路第一機関区に、2、1002、1003の3両が千葉鉄道管理局管内の佐倉機関区木更津支区（現・幕張車両センター木更津派出）に配置された。前者は1983年（昭和58年）2月21日から、後者は同年2月14日から営業運転が開始された。
基本的にはキハ40系と同じ片側2扉、片引き戸となっているが、居住性向上のため車体の長さと幅を車両限界ぎりぎりにまで拡大したキハ40系に対し、車体長を20.8mから19.5mに、車体幅も裾絞りを省略して2.9mから2.8mとそれぞれ縮小した結果、一回り小さい車体となっている。一方、縦形エンジンの採用により、レール面からの床面高さは、キハ35の1215mmに対して1260mmへと上がっており、縦形エンジンに必須となる床面点検口も復活した。客用扉は片側2ヶ所で、開口幅1000mmの片開き引き戸とされた。将来のワンマン運転を考慮して前位側の客用扉を運転台に隣接させるとともに、後位側の客用扉は亜幹線での運用や乗客の流動に配意して車体中央に寄せられ、2両編成を組んだときに編成全体として扉の間隔が均等に配置されるようになっている。戸袋窓と妻窓は省略された。前面は中央に貫通扉を配した構造である。キハ40形まで使われていたパノラミックウィンドウは廃止されて平面窓となり、助士席側窓上に手動の種別・行先表示器が備わる。ワンマン運転を行う場合は運転席高さを客室と同レベルまで下げることが望ましいが、本形式では踏切事故などを想定して高運転台構造を踏襲した。それでもキハ40系に比較すると運転席位置は下がっている。前照灯は貫通扉上にまとめられ、前面窓下両端部に尾灯を備える。また、前面窓下部に踏切事故対策の補強板が張られている。なお新造時の塗色は赤11号（急行形気動車の窓周りの赤と同じ色）一色で、キハ40系などの在来の一般形気動車に施されていた朱色（朱色5号）とは色合いが異なっていた。
二度の大火によって能代市の街並みが生まれ変わった一方で、大火の代償として市の財政は危機的状況となった。第二次大火のあった昭和30年度は、昭和の大合併により近隣の山本郡檜山町、鶴形村、浅内村、常盤村を合併した年でもあるが、これら旧町村から引き継いだ赤字が2,300万円あった上に大火の被害も重なったために、同年の単年度収支は歳入3億4,800万円に対して歳出4億3,800万円と、差し引き8,900万円の財政赤字となった。第二次大火からの復興と並行して、市では財政の立て直しも迫られることとなった。第二次大火から1ヶ月半ほど後の1956年5月4日、市長の豊沢は臨時議会を招集して地方財政再建促進特別措置法の適用を諮った。同法の適用団体とされると地方自治に大きな制約を受ける一方で、大火からの復興に政府からの援助を必要とした能代市では、「財政再建への誠意がない団体」とみなされて不利な立場となることは避けねばならず、苦渋の提案であった。議会では当然激しく反発したが、自主再建の方途もないことから同意せざるを得ず、市ではただちに自治庁長官に再建計画を申請して、11月には承認されることとなった。11ヶ年に亘る再建計画期間は当時「北の能代、南の小松島」と言われたほどのワーストクラスであり、昭和30年代全期を通じて市では赤字解消に努めることとなった。一方、二度の大火の時期によって苦境にあった市民を勇気づけたものに体操選手の小野喬、鍋谷鉄己の活躍が挙げられる。2人は1952年ヘルシンキオリンピックに出場、小野は跳馬競技で銅メダルを獲得した。小野は続く3大会（メルボルン、ローマ、東京にも出場し、メルボルン大会の鉄棒競技では日本人最初の金メダリストとなるなど、その後の日本体操界の第一人者となった。通算でのオリンピック獲得メダル数は個人10（金3、銀3、銅4）、団体3（金2、銀1）、合計13に及び、金メダル5は2016年（平成28年）時点で近代オリンピック個人第40位の記録となっている。彼らの活躍は「体操王国能代」の名を全国に轟かせ、小野は2017年（平成29年）に野呂田芳成、加藤廣志、山田久志とともに能代市市民栄誉賞の第一号受賞者となった。また、この大火からの復興行事として始まったものに、能代の花火がある。二度の大火によって沈滞しがちであった市民の気分を一新するために、能代商工会議所にて、当時東北木材社長であった能登斌治の提案によって企画されたもので、1958年（昭和33年）に「全国花火競技大会」と銘打って第1回大会が開催された。この開催にあたっては、全国花火競技大会を開催していた先進地の大曲市（現在の大仙市）に学ぶため、同地の花火師佐藤欣一郎、富樫善弥と、日本煙火協会専務の松尾義雄の指導を仰いでいる。この花火大会は1979年（昭和54年）まで毎年続けられた後、24年の中断期間を挟むこととなるが、2003年（平成15年）に復活し、以降毎年実施されるに至っている。