羽幌線
これに伴い天塩線が羽幌線に編入され、留萠駅 - 幌延駅間が全通した。
なお、開業当初は、羽幌線の列車は留萠駅を発車した後、深川方面の東留萠信号場まで1.3 km 走行し、同信号場でスイッチバックして羽幌方面に北上していた。これを解消するため、1941年(昭和16年)12月9日に留萠駅 - 三泊駅間が新線に付け替えられ、留萠駅にも羽幌線用の4・5番ホームが新設された。なお、東留萠信号場 - 留萠駅間は留萠本線・羽幌線の重複区間だったが、新線敷設と共に解消され、東留萠信号場も廃止された。
全通後、炭鉱の閉山とニシン漁の不振、沿線人口の減少によって貨物・旅客の輸送量が減り、並行道路(国道232号)の整備も進んでいたため存在意義を失っていった。国鉄再建法の施行に伴い、1984年(昭和59年)6月22日に特定地方交通線(第2次)に選定され、北海道旅客鉄道(JR北海道)へ承継されることなく、国鉄分割民営化前の1987年(昭和62年)3月29日限りで廃止。本路線の廃止が、国鉄最後の路線廃止の事例となった。
なお、「留萠駅」「留萠本線」は羽幌線営業時・廃止当時の表記で、羽幌線廃止後の1997年(平成9年)4月1日にそれぞれ「留萌駅」「留萌本線」に変更されている。