国鉄の特殊狭軌線
改軌はかなり遅くなって戦時中の工事となり、1943年9月20日に花巻 - 柏木平間が完了。しかし戦争のために一旦中止となり、戦後に持ち越された。戦後はカスリーン台風とアイオン台風のために潰滅的被害を受けた山田線の代替ルートとして早期開通が目指され、1949年12月10日に柏木平 - 遠野間が、1950年10月10日に全線がようやく改軌された。改軌に際し花巻・遠野・平倉周辺が経路切り替えとなり、また仙人峠を越えるために足ヶ瀬-陸中大橋間は完全に新線となった。現在も釜石線の一部として現役である。
改軌が戦後までずれ込んだのは当線のみであり、結果的に国有鉄道最後の特殊狭軌線となった。またわずか1年ほどの間であるが、日本国有鉄道が保有した唯一の特殊狭軌線でもあった。
なお改軌前、分断されていた仙人峠の貨物輸送には索道が使用されていた。これは災害復旧による代行を除くと国有鉄道直営の貨物索道として唯一の存在である。
元来、国有鉄道には1067mm (3ft6in) 以外の軌間を持つ路線は存在しなかった。1906年の鉄道国有法による大規模な私鉄国有化でも、私設鉄道法の影響で各会社の軌間が1067mmに揃っていたため、結果的に路線網に別の軌間が入り込む余地はなかった。
ただし、例外として湧別軽便線(後の石北本線・名寄本線の各一部)が1914年に建設された際、一部が762mm (2ft6in) 軌間で建設された。新規路線としてナローゲージが採用された唯一の例外である。
しかし新規に敷設されることはなくとも、大正時代から昭和初期にかけて敷設予定線区に存在する既存私鉄の買収を次々と行った結果、762mm軌間の路線が国有鉄道の路線網に混じる現象が発生した。これらの路線に対し国有鉄道は一時的にそのまま762mm軌間の特殊狭軌線として運営し、その後一部を除き改軌および改修を行って路線網に編入する処置を取った。
特殊狭軌線の存在期間は一部の路線を除けば基本的に短く、短いものでは1年、長くても10年未満だった。このため路線の消長が激しく、総路線数や総路線距離は断続的に増減を繰り返していたが、それでも昭和に入ると買収私鉄そのものの増加から総路線数・総路線距離ともに増大し、1936年から1938年にかけては総路線数6本、総路線距離184.2kmと最大値を記録した。しかし戦時中になると改軌を完了する路線が増えて急速な減少に転じ、戦後は釜石西線のみとなった。最終的に1950年の釜石西線改軌完了をもって、37年間の歴史に幕を下ろした。
これに際し、財政逼迫を理由として留辺蘂駅から先は1067mmではなく762mm軌間で建設することになり、1915年11月1日に社名淵駅(のちの開盛駅)まで開業。その先、下湧別までもそのまま762mm軌間で着工しかかっていた。
しかしこの区間の開通に前後して、帝国議会で全区間を「軽便線」ではなく幹線格であり本来の当線の規格である「本線」として建設することが決定し、社名淵駅から先の軌間も1067mmに変更された。このために当区間は開業した直後からいきなり改軌を迫られる事態となり、翌1916年11月7日には改軌された。軌間こそ762mmであったものの、建築定規は1067mm規格であったため、比較的早く改軌を行うことが可能であったのが救いであった。
当線の区間は後年路線改編により二分割され、留辺蘂 - 遠軽間が石北本線、遠軽 - 社名淵間が名寄本線となった。1989年に名寄本線が廃止されたため、後継区間として現存するのは前者の区間のみである。