国鉄4110形蒸気機関車
こうして国鉄線内では庭坂に16両、人吉に10両を残す形となった4110形であったが、戦時体制下に入って再び奥羽本線の輸送需要が増したことから、1941年(昭和16年)3月に4115、1943年(昭和18年)6月に4135が人吉から庭坂に転属、肥薩線ではその代機としてD51形が順次入線、1945年(昭和20年)以降は全面的に置き換えが行われ、同年11月に4113・4137、1946年(昭和21年)9月に4114・4136を庭坂に転属させた。しかし、4114・4136は状態が悪いことから奥羽本線では使用されることなく部品取り用とされ、同様に休車となっていた4146および肥薩線の余剰車4両とともに1947年(昭和22年)6月に廃車として一部の機関車運用を他区から転属の9600形で代替することとなった 。
戦時中以来の酷使による状態不良と石炭事情の悪化により勾配上での途中停車や空転、煙害の深刻化といった問題を抱えながら奥羽本線で運用されてきた庭坂機関区の残存機も、1948年(昭和23年)5月にE10形の登場によって4115・4122・4137が、1949年(昭和24年)9月には板谷峠電化(EF15形の投入)によって4113・4117・4119・4123・4124・4126・4128・4129・4132・4134が、1950年(昭和25年)1月に4140 - 4145が廃車となり、国鉄から姿を消した。4145は廃車直前に岡山に転属となり、機関車不足に悩んでいた片上鉄道へ貸し出されて硫化鉄鉱石輸送に使用された後、C13形の就役と入れ替わりに返却され、そこで廃車となっている。
1914年(大正3年)製の本形式は、奥羽本線用として4116 - 4133の18両が庭坂機関庫に配属されたほか、鹿児島本線(現・肥薩線)の峠越え区間である人吉 - 吉松間専用として、4110 - 4115・4134 - 4139の12両が人吉機関庫に配属された。1917年(大正6年)製については、4140 - 4146は奥羽線、4147 - 4149が鹿児島線の配置となった。
急勾配区間での性能は良好であったが、4100形と同じく運転速度が制限されるなど、特殊な構造のため運用線区は限られており、上記以外の区間で使用されることはあまりなかった。奥羽本線は1919年(大正8年)の電化調査線区の選定の際、優先的な電化の必要性が高い路線とされていたが、実際の電化は太平洋戦争後の1949年(昭和24年)のことであった。このずれ込みの理由として、4100形および4110形の高性能ぶりが引き合いにだされることがよくある。
4110形は上記の両区間で長らく他形式の進出を許さずに活動を続けたが、1927年(昭和2年)には川内経由の海岸線開通で人吉 - 吉松間が鹿児島本線から外れ、支線の肥薩線に格下げされたことに伴い、輸送需要が減少した。これにより、人吉機関区所属本形式の一部(4138・4139・4148)が休車となり、4147が広島機関区に転属した。広島への転属は、操車場でのハンプ押上げ用とも、瀬野八での補助機関車用ともいわれるが、結局どちらにも適さず、そのまま休車となってしまった。