К числу несомненных достижений паровозников необходимо отнести уменьшение расхода топлива. Предельщики утверждали, что увеличение форсировки котла, повышение весовых норм товарных поездов и увеличение технической скорости должны вызвать резкое увеличение расхода топлива. Практика опрокинула «теорию» предельщиков и на этот раз. Подсчеты показали, что если в 1934 году на каждые 10 тысяч тонно-километров расходовалось 300 килограммов топлива, то в 1935 году — 278.

Чтобы обеспечить безаварийное вождение тяжеловесных поездов мощными паровозами ФД и ИС на больших скоростях, потребовалось усилить верхнее строение пути. В путь укладывались теперь рельсы тяжелого типа. Были произведены капитальный ремонт и сплошная смена рельсов. Прогрессивным явлением было создание в 1935 году машинно-путевых станций, оснащенных мощной по тому времени технической базой для производства путевых работ. В 1936 году служба пути начала производить реконструкцию и капитальный ремонт железнодорожного полотна со сплошной сменой рельсов на участках Верховцево — Чаплине, Долгинцево — Запорожье-ІІ и капитальный ремонт со сменой рельсов на участке Павлоград — Севастополь. За время с 1935 года до начала Великой Отечественной войны на дороге было реконструировано 538 километров, капитально отремонтировано 30 километров, частично произведено средний ремонт 1185 километров пути. В 1940 году были ликвидированы все аварийные участки в путевом хозяйстве.

В 1935 году введен в эксплуатацию новый участок автоблокировки Лоцманское — Сухачевка, а в 1938 году полностью закончена перестройка автоблокировки на направлении Днепропетровск — Чаплине

Перестройка железнодорожного хозяйства сопровождалась изменениями в организации эксплуатационной работы: укреплено диспетчерское руководство движением поездов, разработаны общесетевые графики движения, дальнейшее развитие получили маршрутизация перевозок, единая система работы станций, узлов и подъездных путей промышленных предприятий.

За годы второй пятилетки (1933–1937 гг.) среднесуточная погрузка на дороге возросла на 74 процента и превысила в среднем в сутки 5 тысяч вагонов. Такого же уровня достигла и выгрузка.

И далее ширились и множились передовые методы труда, такие как метод станции Чаплино по скоростной обработке поездов, метод диспетчерского руководства движением поездов Закорко Н. Т., скоростная погрузка и пропуск /рудных маршрутов, вождение скоростных тяжеловесных поездов. По данным НКПС, к концу 1935 года на Донецкой, Екатерининской, Северной, Московско-Казанской и Южно-Уральской дорогах из 16 тысяч машинистов свыше двух тысяч водили поезда по-кривоносовски. Они систематически перевыполняли основной показатель работы — норму технической скорости.

Одновременно ширилось движение за пробег паровоза не менее 500 километров в сутки. В третьем году третьей пятилетки паровозники провели 15 762 тяжеловесных поезда, которыми перевезли около 5 миллионов тонн груза сверх весовой нормы. Это дало возможность сэкономить выдачу 1826 паровозов. К концу 1940 года число стахановцев и ударников на дороге составило 70,7 процента к общему числу работающих.

Протяженность и границы районов обслуживания дороги в годы первых пятилеток неоднократно изменялись. В 1930 году к ней были присоединены участки Конград — Нижнеднепровск, Апостолово — Лоцманская и Апостолово — Херсон бывшей Мерефо-Херсонской железной дороги и линия Апостолово — Лоцманская, построенная в 1928–1930 годах. Этого требовали изменения в развитии экономики районов.

В административном отношении дорога была разделена на четыре эксплуатационных района — Днепропетровский, Авдеевский, Александровский, Знаменский. При этом Днепропетровский район, обслуживавший Криворожский рудный край, все промышленные предприятия Днепропетровска и примыкающего к нему объединения «Сталь», по эксплуатационному протяжению был почти о два раза больше остальных районов. Поэтому в 1931 году из состава Днепропетровского района был выделен самостоятельный, пятый район с центром на станции Долгинцево.

В 1932 году дороге была передана линия Синельниково — Севастополь со всеми боковыми линиями и ветвями, включая весь Крымский участок, общей протяженностью 912 километров.

К концу второй пятилетки дорога имела восемь эксплуатационных отделений: Днепропетровское (эксплуатационная длина путей 564,7 километра), Долгинцевское (350,2), Пологовское (354,5), Апостоловское (286,1), Симферопольское (381,6), Сарыгольское (219,7), Запорожское (248,9) и Мелитопольское (342,9).

В 1936 году Екатерининская дорога переименована на Сталинскую железную дорогу.

В связи с новым районированием, от нее отошли к Одесской дороге участки: Крюков — Знаменка — Николаев, Водопой — Херсон, Пятихатки — Користовка, Водопой — Снигиревка; в 1937 году — в связи с организацией Южно-Донецкой железной дороги к ней отошли участки, расположенные на восток от станций Чаплино и Цареконстантиновка.

В 1938 году дороге был передан участок Синельниково — Павлоград.

К началу 1939 года граничными пунктами дороги оказались с Южно-Донецкой дорогой: Чаплино, Цареконстантиновка, Павлоград; с Южной дорогой: Павлоград, Константиноград; с Одесской дорогой: Пятихатки, Долинская и Снигиревка.

Эти границы до начала Великой Отечественной войны не изменялись и в их пределах дорога имела однопутных линий 2159,9 километра, двухпутных — 571, трехпутных — 17,7 километра. Развернутая их длина составляла 3329 километров.

Одним из самых знаменательных событий в истории дороги во второй пятилетке было начало ее электрификации по плану ГОЭЛРО.

Первоначально намечалось электрифицировать участок Пятихатки — Ясиноватая. Да это и понятно — участок с двухколейными путями был главным, поскольку соединял железорудный Кривбасс с угольным Донецким бассейном и проходил через Приднепровье с его высокоразвитой металлургической и машиностроительной промышленностью. Но на заседании комиссии по дальнейшей разработке плана ГОЭЛРО в ноябре 1923 года первоначальный замысел был изменен и принято решение электрифицировать участок Долгинцево — Запорожье с достройкой участка Чаплино — Запорожье. Таким образом, этот участок предполагалось превратить в магистраль, соединяющую Донецкий каменноугольный бассейн с криворожскими рудниками и с Запорожским портом на Днепре.

Состоявшийся в июне 1931 года Пленум ЦК ВКП(б) рассмотрел вопрос о состоянии и очередных задачах железнодорожного транспорта и в своем решении признал, что ведущим звеном реконструкции железнодорожного транспорта в перспективе его развития является электрификация железных дорог. Принимая развернутое решение по вопросам нового железнодорожного строительства и усиления пропускной способности эксплуатируемых железнодорожных линий, Пленум подчеркнул особое народнохозяйственное значение электрификации железных дорог и предложил обеспечить развертывание работ в соответствии с планом ГОЭЛРО.

Электрификация однопутного участка Запорожье — Долгинцево протяженностью 203 километра была одним из звеньев в начале осуществления идеи В. И. Ленина об электрификации всего народного хозяйства.

К этому времени на Приднепровье имелись все необходимые предпосылки для успешного осуществления ленинского плана электрификации. 16 апреля 1932 года в 15 часов 15 минут первая турбина Днепрогэса дала электрический ток. 10 октября того же года Днепровская гидроэлектростанция была сдана в эксплуатацию. Это был один из многих примеров триумфального шествия социалистического строительства. На митинге, посвященном этому событию, присутствовали Всесоюзный староста М. И. Калинин, нарком тяжелой промышленности СССР Г. К. Орджоникидзе, Всеукраинский староста Г. И. Петровский, секретарь ЦК КПб)У С. В. Косиор, председатель Совнаркома УССР В. Я. Чубарь, писатель Анри Барбюс. 17 марта 1939 года стала в строй девятая и последняя турбина Днепрогэса. Станция достигла проектной мощности. Созданный на базе дешевой энергии мощный Запорожский промышленный комбинат, в состав которого входили: «Запорожсталь», «Днепроспецсталь», завод ферросплавов, «Коммунар», алюминиевый и другие предприятия, а также промышленные центры Днепропетровска, Днепродзержинска, Донбасса, Никопольского марганцевого бассейна получили движущую силу.