小海線
だが、長野新幹線(北陸新幹線)開業に伴い前日の1997年9月30日をもって信越本線横川駅 - 軽井沢駅間が廃止となり、軽井沢駅 - 篠ノ井駅間がしなの鉄道線として経営分離され、小諸駅での小海線とかつての信越本線とを結ぶ線路が分断された。これにより同列車も運行終了となったが、2004年10月に、JR東日本としなの鉄道の共同企画で「ぐるっと信州ときめき号」として復活した。これは、しなの鉄道線小諸から189系直流特急形電車で篠ノ井駅、篠ノ井線経由で塩尻駅、塩尻駅から中央本線上諏訪駅まで、上諏訪からはキハ110系気動車が小淵沢駅・小海線経由でしなの鉄道線小諸駅までを運行した列車で、かつてのように車両を乗り換えずに一周することはできなかった。
2008年1月に運転された「ぐるっと信州ときめき号」では、小諸駅からしなの鉄道線・篠ノ井線・中央本線を経て小淵沢駅までは485系電車「いろどり(彩)」、小海線小淵沢駅から小諸駅まではキハE200形気動車が使用された。
機関車 - 全てタンク機関車 1-3 開業にあたり国鉄から1150形3両の払下げを受けた。国有化以前の1928年に1・3が笠原鉄道へ、2が八日市鉄道(近江鉄道)へ売却された。 4 1915年雨宮製作所製。営業運転には使用されず専ら工事列車に使用されていた。国有化前に処分され川崎埠頭1号となる。 11-12 1923年に川崎造船所により新製された。国有化により1265形(1265・1266)となる。 13-15 11-12と同形車で河東鉄道(長野電鉄)で電化により余剰となった機関車(4・1・2)を1926年に1両、1929年に2両を購入した。国有化により1265形(1267-1269)となる。 3301-3303 1927年に国鉄から3300形(3313・3309・3303)の払下げをうけた。国有化により旧番号に復する。
ガソリンカー - バスとの対抗から1930年より運行を始めた。詳細は「買収気動車#佐久鉄道(現・小海線の一部)」を参照。 キホハニ51 - キホハニ56 国有化によりキハニ40600 - キハニ40605となる。 キホハ57・キホハ58 国有化によりキハ40500・キハ40501となる。
1972年(昭和47年)10月1日:この日をもって蒸気機関車の運行が廃止。
1973年(昭和48年)7月15日 - 9月23日:小淵沢駅 - 中込駅間で蒸気機関車復活運転。
1975年(昭和50年)3月9日:この日をもって、急行「のべやま」「すわ」「八ヶ岳」が廃止され、線内から定期急行列車と新宿駅直通の定期列車が消滅。
1976年(昭和51年)10月3日:小淵沢駅始発の各駅停車が甲斐大泉駅出発後にヤスデの大群に遭遇して運転打ち切り(ヤスデの発生による運休は初)。
1984年(昭和59年)2月1日:全線で貨物営業が廃止。
1985年(昭和60年) 7月1日:集中豪雨による盛土崩壊で、佐久海ノ口駅 - 小海駅間が運転見合わせとなる。 8月2日:佐久海ノ口駅 - 小海駅間が運転再開。
1986年(昭和61年) 7月26日:フォトデッキ駅が開業。 9月1日:フォトデッキ駅が廃止。
1987年(昭和62年)4月1日:国鉄分割民営化により東日本旅客鉄道(JR東日本)が継承。
1988年(昭和63年)12月1日:美里駅が開業。
1991年(平成3年)11月8日:キハ110系気動車が投入。
1992年(平成4年)3月14日:ワンマン運転開始。最高速度を65km/hから85km/hへ向上し、小淵沢駅 - 小諸駅間の快速の所要時間が25分程度短縮し、1時間40分程度となる。