小田急3000形電車 (初代)
最終的には「国鉄が試験車両を作るまで待てない」と押し切るしかなかったという。
一方、SE車は「車両として」日本で初めての信託車両であり、最終所有者は支払いが終了するまでは住友信託銀行であった ため、「80系電車のように試験中に燃えてしまったらどうするのか」という声も上がった。また、国鉄線内で事故が発生した場合の責任所在などの問題もあった。それらの問題を解決し、1957年9月に小田急社長の安藤楢六と国鉄総裁の十河信二との間で、SE車の貸借について契約が行われ、高速試験そのものに保険を掛けることで決着した。
こうして、私鉄の車両が国鉄線上で高速試験を行うという、日本の鉄道史上で初めてとなる 国鉄・私鉄合同の試験が行われることになった。試験の交渉窓口担当者として、山本が陣頭指揮にあたることになった。
前記に「車両として」と記載したのは、日本国内で初めての信託車両は、帝都高速度交通営団(営団地下鉄)1700形である。同形式の三菱電機製の主電動機、制御装置、空気ブレーキ装置などの主要電機品(約1億2,300万円相当)は、営団地下鉄の購入品ではなく三井信託銀行からの信託車両とした。同時期に小田急もSE車を住友信託銀行との車両信託に付しているが、営団地下鉄1700形はSE車よりも4日早く契約しており、日本国内の鉄道車両では初めての信託車両である。ただし、機器を含めた「鉄道車両」の車両信託は、SE車が日本国内で初めてである。
この高速試験で得られたデータは、それまでの研究データの正確さを裏付けるものとなった。車輪横圧はそれまでの車両では4tだったのに対して最大でも2.5tという結果となり、脱線係数も小さかったために速度向上の余地が相当にあると判断された。日本で初の採用事例となったディスクブレーキについては、145km/hから停止までのブレーキの距離は1,000mを超えていた ものの、ブレーキ圧力を上げれば短縮可能と報告された。一方、集電装置の離線率が高くなることについては今後の課題とされた。これらのデータは、その後の車両・軌道・架線などの設計や保守に役立った。
SE車の試験によって、三木の研究成果である「東京と大阪間を4時間半で結ぶ」という可能性は立証され、「東海道本線を広軌や標準軌の別線にすれば最高速度250km/hも可能」との裏付けが作られた。島は後年、この試験については「国鉄内部に対するプロパガンダであった」と述べており、国鉄側の責任者だった石原も、この試験について「将来は新幹線のようなものを電車でできると思い、これの成否のもとになると考えていた」と述べ、この高速試験が新幹線計画への布石だったことを認めている。
1957年5月20日に日本車輌製造製の3001×8が入線、同年6月上旬には日本車輌製造製の3021×8が入線した。同年6月から小田急線内での試運転を開始し、小田急線内では127km/hという速度を記録した が、曲線の多い小田急線の軌道条件ではこれが限界であった。このため、小田急と研究所は「これ以上の高速性能の確認は軌道条件が優れている国鉄の路線上での走行試験によって行う以外に方法はない」という意見で一致していた。なお、ディスクブレーキの容量不足によってディスクに熱亀裂の発生が認められた ことから、ディスクブレーキの最大圧力を制限する措置がとられている。
また、SE車の完成後にスペインから日本へタルゴの売込みがあり、小田急にも訪れた。この時、小田急側では売り込みにきた担当者をSE車に乗せて歓迎した。商談は成立しなかった が、6月26日・27日に行われた展示会の席上では、当時研究所長だった篠原武司が「タルゴの開発に携わったホセ・ルイス・オリオールが『実際に乗ってみて150km/hは大丈夫だ』という感想を述べた」と発言している。また、この時の雑誌ではSE車に対して「日本製タルゴ」という表現も使用された。
「電車といえば四角い箱」であった時代において、SE車は鉄道ファンだけではなく一般利用者からも注目を集めた。
この時には報道関係者も同乗しており、朝日新聞や毎日新聞では9月26日の夕刊で「東京と大阪を結ぶ特急電車計画の見通しがついた」と報道している。
しかし、SE車の設計最高速度は145km/hであり、試験の関係者は「一度は最高速度を出したい」と考えた。このため、翌日の9月27日からは、試験の区間をさらに長い直線区間があり、緩い下り勾配となっている函南と沼津の間に移し、日中に試験が行われた。この日は午前11時ごろから同区間を2往復試験走行した後に最高速度試験が開始された。函南を午後1時50分に発車したSE車は三島を100km/hで通過した後も加速を続け、午後1時57分に145km/hに達した。この瞬間に、9月26日の記録を上回る、狭軌鉄道における世界最高速度記録が達成された。この時、沼津で停止できなかった場合に備えて次の原 まで線路を空けており、沼津では停止時に車両の横揺れがあってもプラットホームに接触しないように縁石を一部撤去していた が、いずれも杞憂に終わっている。
なお、9月26日までの走行試験のデータを検討した結果「150km/h程度までは問題ない」という結論に達していた ことから、150km/hまで速度を上げようという意見もあった が、石原の「日本の動力分散化の成否に関わっている問題であり、何か故障が起きたら困る。ここまで行けば十分成功」という考えにより、150km/hでの走行試験は実施されずに終わっている。