「第2次5カ年計画」は国鉄の近代化に大きく貢献したものの、資金不足で1964年に打ち切られ、新たに多額の借り入れによって輸送改善を推進する「第3次長期計画」に移行。俗に「ヨンサントオ」と呼ばれる1968年10月のダイヤ改正では、新性能電車などの大量投入を実現した。また高度経済成長に合わせて急速に増大した首都圏の通勤輸送に対応するため「通勤五方面作戦」と称する輸送力増強計画も進められた。

しかし国鉄財政の一層の悪化を受けて第3次長期計画は同年で打ち切られ、職員削減、省力化などの合理化が本格的に始まった。国鉄諮問委員会は1968年9月、経営体質の改善が急務として地方83線区（赤字83線）を廃止すべきとの意見書を提出し、国鉄は赤字ローカル線の整理に乗り出した。また同年11月には運輸大臣の諮問機関である国鉄財政再建推進会議も、経営合理化、近代的輸送方式の整備促進、市町村納付金の大幅削減などの具体策を盛り込んだ意見書を提出。政府は1969年、日本国有鉄道財政再建特別措置法を成立させ、10年後の黒字転換を掲げる「財政再建10カ年計画」がスタートした。

しかし「日本列島改造」を掲げる田中角栄内閣によって、赤字83線の整理計画はわずか4年で挫折。さらに政府は鉄道建設公団によるローカル新線建設を継続した。貨物輸送の落ち込みと人件費の増大なども重なり、10カ年計画は再三行き詰まって見直しを余儀なくされた。

この時期、国鉄の労使関係は合理化の強化と政治要素が絡んで極度に悪化した。国鉄内部で進めた生産性向上運動（マル生運動）に伴って発生した不当労働行為問題は、1980年代にかけて現場の混乱と規律低下を招いた。ストライキも頻発し、ダイヤ改正が延期されたり、乗客による暴動に発展した事件もあった。同時にモータリゼーションの発展で国鉄のシェアは大きく減少し、1975年に国労と動労が192時間にわたる「スト権奪還ストライキ」を行ったにもかかわらず、社会に大きな混乱は見られなかった。