会議の結果を受け天図軽便鉄路は南満洲太興から離脱し、南満州鉄道の子会社となった。その後は敦図鉄路の工事であったが、1928年から猛烈な建設反対運動が数年にわたり続き工事は停止状態となった。1931年に満州事変が発生、1932年3月1日に満州国が建国されたことで状況は一変する。5月の閣議で経路問題については南北両方のルートを採用すること、その敷設資金は南満州鉄道が調達し最終的には満州国営とすること、天図軽便鉄路の債権は南満州鉄道が直接持つことが決定された。これにより、結果的に吉会鉄路問題は正式に吉敦鉄路延長案が採用されることとなり、経路問題も南北両立が正式決定された。これにより天図軽便鉄路は間島権益確保における重要な地位を喪失することとなった。1933年2月9日、満州国政府は国内の鉄道のうち、奉天軍閥から継承した路線及び日本が利権を有する路線を接収、「満州国有鉄道」を成立させた。天図軽便鉄路も国営化されることとなったが、国鉄線の一部とはならず、国営企業の形態が残され経営権のみが3月1日に南満州鉄道に委託された。一方、敦図鉄路は京図線と改称され延長工事を開始、5月15日に全線開通し吉会鉄路が完成した。この路線は南北二つあった経路のうち北廻り経路に相当するものであり、事実上の新線建設であったため、重複する天図軽便鉄路本線の老頭溝-朝陽川間及び支線の朝陽川-延吉間が廃止となり、朝陽川駅が国鉄線の駅に統合された。1934年4月1日には朝陽川を起点とする南廻り経路が朝開線として新規開業、これにより天図軽便鉄路の朝陽川 - 開山屯間が廃止され、天図軽便鉄路は全線が廃止されることとなった。その後の日本海経由の日満連絡経路は北廻り経路が主流となり、元天図軽便鉄路の半分以上を占める南廻り経路は主要輸送から外されることとなった。
建設段階で日中両政府の外交交渉と大規模反対運動により停滞していた天図軽便鉄路の工事は順調に進み、1923年10月14日に第一期線とされた地坊（のちの図們江岸→開山屯） - 龍井村間が開通した。第二期線は第一期線の開業を待たずに8月に着工、翌1924年11月1日に龍井村 - 老頭溝・朝陽川 - 局子街（のちの延吉）間が開業、計画線全線が完成した。鉄道の開通により間島地域の交通状況は大幅な改善を見た。まず起点となった地坊の豆満江対岸に既に開通していた図們鉄道、そしてそれと連絡する朝鮮鉄道清会線（のちの朝鮮総督府鉄道咸鏡本線）と連結されたことで、不完全ではあるが満州と朝鮮の新たな連絡線が完成したこととなった。また清会線の終点は日本海側の清津であったことから、この経路は日本海を経由する第三の日満連絡ルートとして活用できる可能性も有していた。なお当初、朝満国境となっている豆満江については、中国側との交渉が難航し連絡船により連絡されていたが、1927年11月15日には架橋工事が完了し、鉄道が連結されている。
路線名は「天宝山」山麓と豆満江＝「図們江」を連絡したことに由来する。実際の起点は路線名とは逆に豆満江側とされた。本線は豆満江河岸の起点から山岳地帯を蛇行しながら西進、山麓部では南西に経路を変更し龍井村を経由、そこから山岳地帯を蛇行しながら北進、山麓で西に方角を変え朝陽川から老頭溝へ到達していた。支線は朝陽川から北東方向に設置され、平坦な平地を経由して終点の延吉へ至っていた。全体の線形は鍵の手形の本線から、ひげのように後ろ向きに支線が飛び出す形となっている。沿線は山岳地帯が中心であり、曲線と急勾配が続く路線であった。特に起点から西進する山岳地帯の地勢は厳しく、路線平面図より途中に1か所ループ線が存在したことが確認されている。なお開山屯駅へは、朝鮮側で営業していた姉妹会社の図們鉄道が越境して連絡線を敷設、接続していた。
1949年（昭和24年）に夫の宣郎は大阪大学教授に招聘され一家は大阪へと移った。12月には次男の徹も生まれ、主婦として多忙な生活を送る一方で、以前愛読したマルクス・アウレリウスの『自省録』の翻訳書を創元社から出版した。1950年（昭和25年）に宣郎はペンシルベニア大学に招かれたが美恵子は子供二人とともに大阪にとどまりアテネ・フランセやアメリカン・スクールで語学を教えた。1951年（昭和26年）に宣郎は帰国し一家は芦屋に移り住んだ。結核に感染した次男の治療薬を闇市で手に入れるために、自宅での私塾やカナディアン・アカデミーでフランス語を、1956年（昭和31年）からは神戸女学院大学で非常勤講師として文学を教えた。1954年（昭和29年）に初期のガンが発見されラジウム治療を受けた。1957年（昭和32年）に、長島愛生園におけるハンセン病患者の精神医学調査を開始した。この業績をもとに1960年（昭和35年）に大阪大学で学位を取得、神戸女学院大学の教授に任命され、さらに1963年（昭和38年）からは母校の津田塾大学教授に就任した。精神医学およびフランス文学などの講義を担当しており、芦屋の家から岡山県と東京を往復する生活を続けている。愛生園での研究や1958年（昭和33年）に京都でおこなわれたゴッホ展を見たことがきっかけとなって、後に『生きがいについて』を構成する文章を書き進めていった。1963年（昭和38年）にはアメリカで研究生活を送っていた宣郎のもとを訪れ、その帰途に同地におけるハンセン病施設および英仏の精神病施設を見学している。スイスではユネスコの政府代表となっていた兄の陽一からミシェル・フーコーを紹介された。1965年（昭和40年）からは、長島愛生園の精神科医長に就任し、自宅から療養所へと通って治療にあたった。翌1966年（昭和41年）には、第二次世界大戦中に自殺したヴァージニア・ウルフの病跡を調べるため渡英し、夫のレナード・ウルフと面会した。二人はレナードの死まで文通を続けている。この年にみすず書房から『生きがいについて』が出版された。