Tijdens de Tweede Wereldoorlog werden duizenden Nederlandse goederenwagons, locomotieven, rijtuigen en treinstellen naar het oosten afgevoerd of deze bleven erg beschadigd achter. Ook was veel infrastructuur op veel plekken vernietigd; tijdens de oorlog waren 180 spoorbruggen opgeblazen. De Nederlandsche Spoorwegen schatte de totale oorlogsschade op 522,5 miljoen gulden (omgerekend zou dat ongeveer 3,9 miljard euro zijn in 2025). Personeel van de NS maakte meerdere reizen naar het oosten om Nederlandse treinen terug te zoeken die nog bruikbaar waren. Een deel werd nooit teruggevonden en werd door NS administratief afgevoerd. Nadat de Tweede Wereldoorlog ten einde was gekomen, belandde veel overtollig Amerikaans en Brits oorlogsspoormaterieel op grote legerdumps in Europa. Hier konden de Europese spoorwegmaatschappijen materieel kopen of huren om hun spoornetwerk weer op te bouwen. NS en enkele andere bedrijven in Nederland namen rond de 400 Amerikaanse en Britse diesel- en stoomlocomotieven over uit de legerdumps. NS nam ongeveer tweeduizend goederenwagons over van het Amerikaanse leger om zo de treindiensten weer op te bouwen. Van deze locomotieven zijn de diesellocomotieven NS 162, NS 164, NS 508, NS 620, NS 2019 en de stoomlocomotieven NS 5085, NS 8811 en de Oranje Nassau 26 bewaard of gereconstrueerd. Deze locomotieven zijn teruggebracht in de kleuren die ze tijdens de oorlog droegen of de donkergroene kleur die NS de locomotieven gaf. Daarnaast kocht en huurde NS locomotieven uit andere landen in Europa, waaronder West-Duitsland. De NS 7853 is een reconstructie van een Zwitserse locomotiefserie die na de oorlog drie jaar in Nederland heeft gereden. Van de oorlogsgoederenwagons die later bij NS terechtkwamen zijn de ketelwagons USATC 17023 en USATC 17048 en de gesloten goederenwagon USATC 224340 bewaard. Het overgrote deel van de locomotieven en goederenwagons werd binnen tien jaar, toen nieuw materieel beschikbaar was, weer buiten dienst gesteld. In de eerste jaren na de oorlog werden door een gebrek aan rijtuigen goederenwagons ingezet voor reizigersvervoer. Ook werden bussen en legertrucks ingezet als vervanging van de treindienst.

Tussen 1896 en 1901 bouwde de Zwitserse Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik (SLM) 34 stoomlocomotieven van het type E 3/3. Tien van deze locomotieven waren wat sterker dan de andere 24. De wat sterkere locomotieven kregen de nummers 857 t/m 866. De locomotieven werden gebruikt voor rangeerwerk en voor vervoer over de lokaallijnen. De locomotieven hadden de bijnaam 'Tigerli' (vertaald: tijgertje). In 1902 nam SBB alle 34 locomotieven over. De tien locomotieven kregen de nummers 8431 t/m 8440. Tussen 1936 en 1945 werden alle stoomlocs terzijde gesteld. Na de bevrijding in 1945 was NS erg op zoek naar spoorwegmaterieel. NS nam van de Zwitserse SBB zeven stoomlocomotieven van het type E 3/3 over. Er werden vijf iets zwakkere locomotieven overgenomen, ze kregen de NS-nummers 7801 t/m 7805. Ook werden twee van de iets sterkere variant overgenomen. Deze locs kregen de nummers 7851 en 7852. De zeven locomotieven werden gebruikt voor rangeerwerkzaamheden vanuit depot Feyenoord in Rotterdam.

Na de Tweede Wereldoorlog herstelde de Nederlandse economie snel. Hierdoor kon Nederland, deels met het Amerikaanse Marshallplan, in de wederopbouw veel nieuw spoorwegmaterieel aanschaffen. Doordat de treinen en de infrastructuur heel ernstig waren beschadigd, werd besloten om tijdens het herstel grote stappen te maken in het moderniseren van het spoorwegnet. Grote delen van het spoor werden geëlektrificeerd en het materieelpark werd flink gemoderniseerd met de komst van veel nieuw materieel. Met de enorme modernisering wilde de Nederlandsche Spoorwegen in de jaren '50 stoomlocomotieven en houten rijtuigen buitendienst stellen. Een stoomlocomotief moet uren van tevoren al worden opgestookt voordat de machine kan worden ingezet. Naast kolen en water kost dit ook veel loon voor het personeel; op stoomlocomotieven moet namelijk ook een stoker aanwezig zijn. Houten rijtuigen zijn bij aanrijdingen onveiliger, omdat het hout veel minder sterk is, waardoor de rijtuigen volledig kunnen versplinteren. Tevens wilde NS het, meestal slecht presterende, materieel dat na de oorlog uit legerdumps en elders uit Europa werd gekocht of gehuurd snel vervangen. In de jaren na de oorlog bestelde NS, tot en met 1959, 173 dieselrangeerlocomotieven (de series 200, 450, 500, 600 en 700), 286 diesellocomotieven voor op de hoofdbaan (de series 2200, 2400 en 2600, de 2600'en werden in 1958 al aan de kant gezet), 100 elektrische locomotieven (de series 1100, 1200 en 1300), 311 rijtuigen (de series Plan-D, Plan-E, Plan-K en Plan-N), 48 postrijtuigen (de series Pec, Plan-C, Plan-E en Plan-L), twee fietsrijtuigen (Dec-rijtuigen, de rijtuigen werden na één jaar omgebouwd naar Pec-postrijtuigen), 297 elektrische treinstellen (de series Mat'46, Mat'54 en Mat'57), 81 dieseltreinstellen (de series Plan-X en TEE DE4) en meer dan tien duizend nieuwe goederenwagons. Door al het nieuwe materieel en het sluiten van tramlijnen nam NS in 1955 afscheid van de laatste stoomtram. Op 31 augustus 1955 reed de NS 7742 'Bello' als laatste NS-stoomtram van Bergen aan Zee naar Alkmaar. Een jaar later nam NS op 16 juni 1956 afscheid van de laatste houten rijtuigen. Op 7 januari 1958 reed de NS 3737 als laatste stoomtrein, in dienst van de Nederlandsche Spoorwegen, van Geldermalsen naar het Spoorwegmuseum in Utrecht. Nederland was een van de eerste landen in Europa waar stoomlocomotieven en houten rijtuigen niet meer op het hoofdnet gebruikt werden. Op de grensbaanvakken met Duitsland waren echter tot in de jaren '70 nog Duitse stoomlocomotieven te zien. Bij Nederlandse industrieën rangeerden stoomlocomotieven nog veel langer door. In 1975 werden de LV 13 en LV 14 (de oude NS 8811 en 8826) als laatste stoomlocomotieven in commerciële dienst in Nederland terzijde gesteld na het sluiten van de laatste steenkolenmijnen in Zuid-Limburg een jaar eerder. In 1948 werden de NS-stoomlocomotieven 7801 t/m 7805 en de 7851 en 7852 vervangen door diesellocomotieven en allemaal gesloopt.