他の路線との接続がないことから、開業以来ねじ式連結器（螺旋連結器）が使用されていた。国有化後、海路により蒸気機関車（C11形）、ボギー客車やガソリンカーが持ち込まれて旧新宮鉄道の車両は淘汰され、省鉄色が濃くなっていったが、連結器はそのままだった。
国有化後、旧新宮鉄道の路線は改築工事がされ、旧路盤は60％程度、残りは隧道橋梁の新設及び勾配緩和曲線改良のため線路変更がされた。1935年（昭和10年）に紀伊勝浦駅 - 下里駅間、1936年下里駅 - 串本駅間が開業。1940年（昭和15年）串本駅と紀勢西線江住駅が接続し、ようやく離れ小島が解消し、線路名称は紀勢西線となった。同時に新宮駅 - 紀伊木本駅間が開業した。しかし、紀勢東線尾鷲駅までの延長は隧道を含む難区間であり、太平洋戦争の影響で1941年に工事はいったん中止となり、紀勢本線の全通は1959年（昭和34年）となる。なお尾鷲駅 - 紀伊木本駅間には1936年より矢ノ川峠経由の省営自動車（紀南線）が連絡しており、所要時間は2時間50分であった。
1911年（明治44年）5月に着工し、1912年（大正元年）9月21日、暴風雨により諸建造物及び組立中の車両に被害をうけるなど工事が遅れたが、12月4日に勝浦駅 - 三輪崎駅間が開業。1913年（大正2年）3月1日、三輪崎駅 - 新宮駅間が開業し、全線が開通した。1914年（大正3年）、勝浦港に木造の浮桟橋が完成し、汽船が横付け接岸できるようになり便利になった。1915年（大正4年）に軽便鉄道補助法による補助を申請したが、業績好調のため却下されている。反面、鉄道開通により大阪商船の大阪三輪崎線の勝浦 - 三輪崎間が廃止されたため、三輪崎町の収入が4割減になった。主力である木材の輸送は概ね好調で、1916年（大正5年）から1917年（大正6年）にかけては第一次世界大戦の影響により、1923年（大正12年）には関東大震災発生により被災地への輸送、さらに台湾向けの木材輸送が増加して1933年（昭和8年）度の貨物収入は12万6672円となり、過去最高を記録した。このように貨物輸送が好調なので、1920年（大正9年）と1927年（昭和2年）に勝浦港の桟橋の増設工事がされた。また旅客輸送も1923年に佐野村駅に列車交換設備を設けて列車を増発し、大阪商船と旅客、手荷物の連帯運輸を開始した。1925年（大正14年）、宇久井駅 - 那智駅間に狗子ノ川駅を設置した。また那智山への延長を企画し、1920年8月に鉄道免許状が下付され、40万円増資し100万円としたが着工できず、1926年（大正15年）に免許失効となった。1929年（昭和4年）、山上自動車が新宮 - 勝浦間に乗合い自動車業を開始した。新宮鉄道は1930年（昭和5年）にガソリンカーの運転を開始して運転本数を増やし、速度を向上させ対抗した。
第二次世界大戦勃発時にスウェーデン空軍は多数の時代遅れとなったグロスター グラディエーター (J 8)複葉戦闘機を装備していた。戦力増大のためにスウェーデンはアメリカ合衆国に120機のセバスキー P-35 (J 9) と144機のバルティ P-66 ヴァンガード (J 10) を発注した。しかし、1940年6月18日にドイツがノルウェーを占領すると米国はイギリス以外の国への武器輸出禁止を宣言し、その結果スウェーデン空軍は突然近代的な戦闘機の不足に直面することになった。数か国の代替品が考慮されたが、フィンランドのVL ミルスキとソビエト連邦のポリカルポフ I-16は不満足である一方、大日本帝国の零式艦上戦闘機は入手可能であったが日本からの輸送は非現実的であった。結局はイタリアのフィアット CR.42 ファルコ (J 11) 複葉機とレジアーネ Re.2000 ファルコ (J 20) が一定数購入されたが、これは明らかにその場しのぎでしかなかった。空軍が深刻な航空機不足に直面している一方で、SAAB社は単発のサーブ 17と双発のサーブ 18爆撃機の生産のために総力を挙げて操業中であったため、ボー・ルンドベリ（Bo Lundberg）指揮の下で新たな組織と工場「Kungliga Flygförvaltningens Flygverkstad i Stockholm」（FFVS）が設立された。J 22と命名されたこの航空機は、鋼製エアフレームに合板製外板を張った単葉機であり、主翼と胴体の構成は保守的なものであった。後方に引き揚げられて完全に胴体内に収納されるトレッドの狭い主脚は、1935年のパラソル型主翼を持つ単葉戦闘機のフォッケウルフ Fw 159に幾らか似ていた。エンジンは当時はライセンス生産権を得ずに製造したスウェーデン製のプラット・アンド・ホイットニー R-1830を使用していたが、ライセンス代は後に（象徴的価格の$1で）支払われた。J 22は1942年9月20日に工場の所在するブロンマ飛行場で初飛行し、1943年10月にはヨーテボリの第9航空団（F9）に就役した。最後の198機目は1946年4月に納入された。J 22の部品製作には500社以上がかかわっていた。