Были укрупнены составы воинских транспортов, широкое применение получила маршрутизация перевозок, то есть отправка основных видов материальных средств полносоставными поездами. Для срочной доставки боеприпасов, горючего и продовольствия на фронт в 1941 г. и частично в 1942-м вводились специальные серии нумерации транспортов и литерные поезда, экспресс-поезда, литерные поезда. Скорость продвижения серийных транспортов, экспресс-поездов и литерных поездов достигала 600–700 км в сутки. Однако при продвижении указанных транспортов приходилось задерживать другие поезда, в результате чего общая пропускная способность железнодорожных участков снижалась. По этим причинам литерные поезда и экспресс-поезда в дальнейшем были отменены и больше не вводились.

Складывавшаяся на фронтах оперативная обстановка требовала проведения широкого маневра локомотивами и локомотивными бригадами. Необходимы были мобильные специальные формирования. Такими в годы войны стали паровозные колонны, которые не приписывались к определенным депо. Впервые паровозные колонны стали применяться осенью 1941 г. на Московском железнодорожном узле, для того чтобы обеспечить выполнение большого объема оперативных, снабженческих и эвакуационных перевозок. Колонны имели в своем составе от 15 до 30 паровозов с прикрепленными к каждому из них локомотивными и кондукторскими бригадами и вагонными мастерами. Личный состав размещался в четырехосных вагонах-теплушках. В них хранился также 15-суточный запас продовольствия и находился небольшой вещевой склад. Эксплуатация паровозных колонн показала их эффективность, и на основе полученного опыта в 1942 г. началось формирование особого резерва паровозных колонн (ОРПК) НКПС.

Для эвакуации с фронта раненых и больных были сформированы специальные постоянные и временные военно-санитарные поезда (ВСП и ВВСП). Емкость постоянного военно-санитарного поезда в среднем составляла 507 мест (в том числе 147 мест для тяжелораненых), а временного — 800 мест. Для вывоза больных и раненых из армейских госпиталей широко использовались военно-санитарные летучки (ВСЛ).

Важное значение придавалось боевому обеспечению воинских перевозок на фронтовых и прифронтовых железных дорогах — противовоздушной обороне поездов и наиболее важных объектов на железных дорогах, а также наземной охране и обороне этих объектов. В 1941 г. для ПВО поездов использовались зенитно-пулеметные взводы, вооруженные 7,6-мм зенитными пулеметами; в дальнейшем они были заменены автоматическими 20-мм пушками ШВАК и крупнокалиберными пулеметами, а зенитно-пулеметные взводы были преобразованы в зенитно-пулеметно-пушечные взводы (ЗППВ). Всего за период войны зенитчики сбили 132 и подбили 29 самолетов противника. Наземную охрану и оборону железных дорог в основном осуществляли войска НКВД. В отдельных случаях для этой цели привлекались воинские части и милиция.

Несмотря на трудные условия, железнодорожный транспорт в первые месяцы войны выполнил значительный объем воинских перевозок. Среднесуточная погрузка войск и материальных средств в первые дни войны составляла около 40 процентов всей погрузки на железных дорогах страны. Только за первые десять дней войны было погружено свыше 5 тыс. оперативных эшелонов. Летом и осенью 1941 г. из внутренних военных округов на фронт были доставлены, главным образом железнодорожным транспортом, сотни стрелковых дивизий и стрелковых бригад, более 2 млн. человек маршевых пополнений. Воинские эшелоны, следовавшие по железным дорогам Дальнего Востока и Сибири, продвигались со скоростью 800 км в сутки²⁷⁰.

Удельный вес снабженческих перевозок в первые дни войны был относительно невелик — 15,2 процента общего объема воинских перевозок. В последующем, уже с июля 1941 г., он постепенно возрастал и к концу войны достиг 54,9 процента.

Более половины всех воинских перевозок, выполненных железнодорожным транспортом в 1941 г., было связано с обеспечением боевых действий в битве под Москвой. В течение октября в состав Западного фронта по железной дороге прибыли мотострелковая, танковая и четыре стрелковые дивизии, а также некоторые другие части и соединения. За ноябрь — декабрь под Москву поступило 2258 эшелонов с войсками по плану центра, в том числе крупные стратегические резервы Ставки Верховного Главнокомандования — 1-я ударная, 10, 20, 24 и 60-я армии, а также части и соединения для усиления 30, 16 и 5-й армий. Одновременно с этим осуществлялись большие внутрифронтовые перевозки, связанные с подготовкой контрнаступления²⁷¹. Перевозка такой массы войск в очень сжатые сроки была исключительно сложной задачей, если учесть, что пропуск и выгрузку эшелонов практически можно было производить только на подводящих к Москве участках Ярославской и Московско-Рязанской полезных дорог, на Горьковской линии Московско-Курской железной дороги и на Московско-Окружной железной дороге. В самом же Московском железнодорожном узле находились тысячи вагонов с эвакогрузами.

Противник подвергал сильным атакам с воздуха железнодорожные объекты и поезда на станциях и перегонах. В 1941 г. на Московско-Рязанскую железную дорогу было совершено 159 налетов вражеской авиации. Однако движение поездов не прекращалось ни на минуту. Беспрерывным потоком шли к Москве эшелоны с войсками, транспорты с боевой техникой и вооружением, боеприпасами и горючим. На Московско-Рязанской железной дороге, основной коммуникации, связывавшей район Москвы с глубоким тылом, выгружалось по 7–8 тыс. вагонов в сутки, что в четыре раза превышало норму, а на участке Рязань — Ряжск — до 60 поездов в сутки.

Всего железнодорожным транспортом в период оборонительных боев и подготовки контрнаступления Калининскому, Западному и Юго-Западному фронтам подано 333,5 тыс. вагонов, из них 265,8 тыс. вагонов составили оперативные перевозки.

В ходе контрнаступления под Москвой и общего наступления советских войск зимой 1941/42 г. особо важное значение имело восстановление железных дорог в освобождаемых от противника районах. Чтобы обеспечить подвоз всего необходимого наступающим войскам, требовался средний темп восстановления не менее 8 км в сутки.

Несмотря на самоотверженный труд железнодорожников, темп восстановления железных дорог был низким. Фактически на Западном фронте он составлял всего около 3,6 км. Главными причинами отставания темпа восстановления железных дорог являлись недостаточная техническая оснащенность железнодорожных войск, слабое обеспечение их восстановительными материалами, отсутствие опыта организации и производства таких работ, а также отсутствие единого управления восстановительными силами и средствами НКО и НКПС.

Для устранения указанных недостатков постановлением ГКО в январе 1942 г. руководство всеми восстановительными и заградительными работами возлагалось на НКПС, в составе которого было образовано Главное управление военно-восстановительных работ (ГУВВР) во главе с генералом Н. А. Просвировым. Во фронтах были сформированы управления военно-восстановительных работ (УВВР) и организованы головные базы восстановительных материалов. Главному и фронтовым управлениям военно-восстановительных работ были подчинены все железнодорожные войска и спецформирования НКПС. Для эксплуатации восстанавливаемой сети железных дорог создавались новые подвижные военно-эксплуатационные отделения (ВЭО), количество которых было доведено до 32.

В ходе выполнения воинских перевозок осенью 1941 г. и зимой 1941/42 г. возник ряд серьезных трудностей, обусловленных не только недостаточной пропускной и выгрузочной способностью фронтовых железнодорожных участков, но и не вполне четкой работой других видов транспорта (прежде всего речного и морского), несогласованностью их усилий. Для координирования работы всех видов транспорта, более четкого регулирования воинских и народнохозяйственных перевозок в феврале 1942 г. при ГКО был образован Транспортный комитет в составе: И. В. Сталин (председатель), А. А. Андреев (заместитель председателя), А. И. Микоян, А. В. Хрулев, И. В. Ковалев, Г. В. Ковалев, 3. П. Шашков, П. П. Ширшов, А. Г. Карпоносов и другие.