戦争の激化に伴い燃料統制が進んだ結果、ガソリン動車の使用は縮小され、他の気動車同様に使用不可能となり、大半が各地の車庫や側線に放置された。なお、客車代用としての使用例があまり見られなかったが、これは軽量化を目的とした簡易連結器の強度が低く、客車列車に組み入れる場合には必ず最後尾に連結しなければならないなど、客車との混用が難しかったためである。また、10両（42021, 42022, 42041 - 42045, 42059 - 42061）が陸軍の要請により、1938年5月31日付けで特別廃車のうえ供出され、大宮工場と鷹取工場で標準軌に改造のうえ、中国の華中鉄道に送られた。全車とも戦後の消息は不明である。
1940年1月に西成線の安治川口駅で発生した列車脱線火災事故で、本形式は犠牲者189名を出す大事故の被災車となった。事故原因は駅員が列車通過中に分岐器を転換したという誤操作であり、車両自体に直接の欠陥があったわけではないが、気化・引火しやすいガソリンを鉄道車両に使用することの危険性が指摘され、発火しにくくより安全な軽油を燃料とするGMH17を代替するディーゼルエンジンの開発が急がれた。この事故により、被災車1両（42056）が廃車となっている。
1936年に、GMH17をベースに日本国内の鉄道車両用機関の有力メーカー3社の手によってディーゼル化したエンジンが試作され、これらを搭載し比較試験を行うためにキハ42000形と機関系統の機器以外は同一の車両が3両、キハ42500形という別形式で製造された。この時試作されたのは新潟鐵工所LH8、池貝鉄工所8HSD13、三菱重工業8150の3社3種で、いずれもGMH17を基本とする縦型8気筒150馬力級ディーゼル機関であった。前2社が渦流式の副燃焼室を持つ排気量16990ccの渦流室式、三菱が直接燃焼室に燃料を噴射する排気量19467ccの直噴式、と各社が自社の得意とする技術を生かした仕様での独自設計で、各部に様々な差違があり、特に前2社製と三菱製では口径・ストローク共に異なるシリンダヘッド周辺を始め、相互間の部品の互換性はなかった。これら3種による試験の結果、比較的悪質な燃料での使用に耐え、シリンダ内圧が低いため工作技術面でのハードルも低く、また海外特許や輸入部品への依存度が低いため国内生産が容易な渦流室式の採用が決定され、鉄道省と試験に参加した3社と川崎車輌、神戸製鋼所の共同設計で、標準型8気筒150馬力級ディーゼル機関の設計と試作が行われたが、実質的には新潟鐵工所LH8Xの直系というべき設計となった。なお、戦時体制への移行で機関の開発が中断され、実車試験は実施されなかったが、この機関が戦後のDMH17系ディーゼルエンジンの原型機となった。
直通特急以外の運用であるが、登場直後の1次車は、神戸線の特急から普通までの各列車において本形式同士の組み合わせで2両ないし4両編成で運用された。2次車については、登場直後こそ単独の2両編成で運行されたこともあったが、早い段階で920系とペアを組み、4両編成で使用される事が殆どとなった。1次車も神戸線の各列車の編成両数が3・4両と長くなるにつれて、900形・920系と同一グループで使用されるようになり、900形を大阪側に連結した3両編成も見られるようになった。1953年4月のダイヤ改正で特急が昼間時10分間隔に増発のうえ全列車4両編成で運転されるようになると、本形式は特急の主力として運用されることが多くなった。非貫通の2次車は貫通扉の設置が検討されたが、工事は施工されずに920系との混結で対処され、4両が常に先頭に出る805-955+925-855および806-956+926-856の2編成が組成された。一方、複電圧車両の予備車として残された802-852であるが、複電圧車時代は他車との連結ができず、600V専用車に戻ってからも1次車では浮いた存在になってしまい、のちには同じように中途半端な存在となっていた810系の822-872と編成を組んで使用されることが多くなった。また、1,2次車とも900形や920系同様1950年代前半の今津線や1950年代後半から1960年代前半にかけての伊丹線といった神戸線の支線区において2両編成で運用されたこともある。1959年11月から神戸線の特急・急行において5両編成での運行を開始すると、1次車は4両編成の先頭に900形を連結することが多くなり、先頭に立つ機会が減少した。2次車はペアを組んだ920系の中間に900形を組み込んで、2+1+2の5両編成を組成した。1962年には特急が全列車5両編成化されるとともに、一部の列車が6両編成化された。本形式をはじめ900・920・810といった吊り掛け駆動車も試行的に6両編成を組成したが、神戸線では運転速度が高いことからブレーキ操作に難があったために乗務員に嫌われてしまい、数日で編成を解かれてしまった。その後810系を中心に旧型車は断続的に6両編成を組むこともあったが、当面5両編成で運用されることとなった。1964年には神戸線の本線運用が全列車5両ないしは6両編成化され、1965年1月ごろには、914+822-872+804-854と、本形式と900形・810系の混成5両編成を組んでいたこともある。