逢坂山トンネル
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新線は最急勾配が上り線で10‰に緩和されたが、第二次世界大戦中の輸送力増強を図るため、京都 - 膳所間で上り1線を増設して上り2線下り1線の三線化が行われた。京都 - 膳所間は東山隧道と新逢坂山隧道の長大トンネルが2本あり、蒸気機関車の煤煙のため後続列車が抑えられ、上り線の線路容量が不足したためである。京都 - 山科間は在来線の南側を、山科 - 新逢坂山隧道西口までは南北両側を、新逢坂山隧道西口 - 膳所までは在来線の北側を拡張して新線を敷設した。
東山隧道下り線（現在の下り内側線）は在来の下り線隧道の外側に新設されたトンネルで、1940年（昭和15年）に着工した膳所 - 京都間線路増設工事の一部として1941年（昭和16年）7月に佐藤工業の請負で東口から工事に着手した。その後、弾丸列車（新幹線）の名古屋 - 京都間の路線が京都駅を経由する「現在駅乗入案」に決定したため、施工中だった同隧道を弾丸列車用新幹線型隧道として施工するように設計変更を行い、1942年（昭和17年）9月25日に「新東山隧道工事（上り線）」として認可された。延長は1,885m、在来の東海道本線東山隧道との間隔は20mで、隧道東口の140m区間が曲線であるほかは直線で、曲線区間は単線一号型断面で着工していたが、直線部は新幹線型断面を採用（但し下部を除く）、新幹線として使用する場合は1.2m掘り下げて完成する事とした。工事の着工は、東口は前述の通り1941年（昭和16年）7月、竪坑口が1942年（昭和17年）1月、西口が1943年（昭和18年）3月で、1944年（昭和19年）8月に竣功した。
東山隧道の掘削は上部開削式により東口と竪坑口から開始した。西口付近洪積層の区間は土かぶりが少なく（最小7m）、地表には人家が密集しているため、予め対策を講じて慎重に施工した。工期短縮のため、西口の施工を竪坑口だけに頼っているのは危険として、西口切取の完成を待たずに斜坑を掘進して西口に向かって掘削した。東山隧道西口切取は数量35,000m3で、搬出土は初めは手押しトロにより京都駅構内に運搬していたが、その後は工事用列車を1日2回工事現場に入れた。本切取工事が遅れたため、その対策として隧道を20m延長して約4,000m3の切取量を節約した。山科 - 東山隧道東口間築堤の盛土数量は約51,000m3（堤築最高12.5m）で、大部分は東山・新逢坂山の両隧道の掘削屑を流用したが、一部は切取り土を流用した。屑の運搬は東山隧道からは蓄電池機関車を、新逢坂山隧道からは工事用列車を使用した。
新逢坂山隧道上り外側線（現在の上り内側線）も、地質を考慮して在来の隧道から20m離れて掘削され、既設隧道との連絡坑を7箇所設けた。西口は1942年（昭和17年）2月、東口は同年5月から掘削を開始し、1943年（昭和18年）12月5日に貫通、1944年（昭和19年）8月に竣功した。構造は既存の煉瓦構造とは異なり、場所打ちコンクリート構造だが、側壁の一部にセメント材料の節約のためか石材が用いられている。なお、単線一号型断面で設計されているが、延長2342.0mのうち741.6m区間の側壁は（単線一号型断面の馬蹄形ではなく）垂直となっている。
本工事は1945年（昭和20年）完成を目標に着工されたが、支那事変（日中戦争）から第二次世界大戦に移る時期に当たり、物価高騰と建設用資材、労務者（特に熟練工）が不足するようになり、労務者向けの食糧確保が非常に困難となったため、工事日程が遅延の兆候を示していた。そのような状況下、軍事上の目的から海運の陸運転化に伴って本工事も幹線輸送力増強工事に指定され、1944年（昭和19年）10月開通を目標に突貫工事を行い、同年8月に新逢坂山・東山の両隧道が竣工したが、既設隧道に変状が生じて修復を行ったため、同年12月1日に開通した。総工費は約2050万円で、うち新逢坂山隧道が527万円、東山隧道が392万円（いずれも当時）。前述のように労務者の確保に苦心を要し、1943年（昭和18年）秋に京都市及び滋賀県から勤労報国隊の奉仕作業を受け、1944年（昭和19年）8月の超突貫時には大阪施設部青年隊及び大阪鉄道局青年錬成所生徒の勤労奉仕を受けた。新逢坂山隧道の労務者延人員は25万3千人、東山隧道の労務者延人員は16万6千人で、全軌道工事延人員は5万2千人だった。この工事により、東山隧道では下り線を上り内側線に転用、新逢坂山隧道では上り線が上り内側線（現在の下り外側線）となっている。
前述の通り、新逢坂山隧道の掘進中、西口から700m - 900m区間の導坑が1943年（昭和18年）夏頃から偏圧を受けて30 - 40cm断面が歪に圧縮されて支保工の一部が折損し、トロの通過に支障を来たすようになったため、この部分は二回縫い返し（再掘削）を行って断面を拡げた。これと関連して既設上り線隧道（西口から700m - 900m間）、同下り線隧道（西口から700m - 950m間）に変状が生じ、同年11月初旬から側壁・スプリング部・クラウン部に線路方向に亀裂が生じ、一部が剥落したため、大阪鉄道局が実態を調査した後、応急工事としてレールセントル（型枠）を用いて補強し、更にコンクリートにより内側に40cmの巻き立てを行った。なお、トンネル補強は第二次世界大戦後も行われ、1947年（昭和22年）、1948年（昭和23年）に内巻補強コンクリートを施工し、1951年（昭和26年）には上り外側線（現在の上り内側線）を修覆している。内巻コンクリートは上り内側線、下り線とも全断面でアーチ頂部で40cm、側壁下部で30cmだった。上り外側線はアーチ部分のみで上部25cm、起拱点で側壁面と合わせており、修覆コンクリートには軽便8kgレールが埋め込まれていた。
畳築（巻き立て）は、当初は本巻で施工していたが、工期短縮による突貫工事が始まる直前の1942年（昭和17年）11月7日に、新逢坂山隧道西口から約200mの地点で約20m間・土量約700m3が崩壊し、復旧に2か月を要したため、以後は新逢坂山・東山両隧道とも逆巻で施工された。東山隧道は穹拱（アーチ）の両端には足を付け、側壁は千鳥に施工し、地質の悪い部分は厚さを増した上で裏面を直とした。
なお、第二次世界大戦後の東海道新幹線建設に当たり、新東山隧道と同時期に工事が行われたトンネルのうち、完成済みの日本坂隧道（日本坂トンネル）は在来線で使われた後、新幹線用に再整備されてそのまま利用され、工事が中断された新丹那隧道（新丹那トンネル）は弾丸列車の当初計画のまま工事を再開して完成したが、新東山隧道については草津 - 京都間が音羽山トンネルを抜けた後、山科盆地を東西に横断するルートに変更されたため、新幹線用に別トンネル（東山トンネル）が掘削されている。
両隧道とも排煙設備は西口に設置され、新逢坂山隧道には小仏隧道（小仏トンネル）から多翼式送風機を移転し、東山隧道には国有鉄道初のプロペラ式送風機を設置した。なお、現在見える東山隧道上り内外線の西口坑門は、実際には排煙設備だった風洞の開口部であり、本来の東山隧道西口のポータルは衛星画像や航空写真で確認可能である（北緯34度59分10.54秒 東経135度46分38.93秒﻿ / ﻿北緯34.9862611度 東経135.7774806度﻿ / 34.9862611; 135.7774806﻿ (東山隧道西口)）。
1956年（昭和31年）11月19日、米原駅 - 京都駅間の電化により東海道本線が全線電化され、電気機関車の導入に伴い牽引力が増加したため、三線のうち1線を休止して複線で運用されていた。なお、休止中の東山隧道下り線（現在の下り内側線）・新逢坂山隧道下り線（現在の下り外側線）について、電車走行可能のための補強工事が行われ、1959年（昭和34年）2月10日に改修工事が完成している。