1943（昭和18）年の国有化時点で全線電化されており、鳳来寺から分岐する田口鉄道は国有化されませんでしたが、飯田線との直通運転は継続されました。豊橋〜小坂井間の線路は名鉄と共用です。これは、過去に地方私鉄同士であった名残りで、国鉄時代を経てJR東海に変わった後も継続されています。
1962（昭和37）年5月に中央東線の上諏訪〜辰野間が電化され、飯田線から中央東線への直通運転が開始されます。最終的には茅野まで延長されています。
田口鉄道は、もともと豊川鉄道や鳳来寺鉄道との関係会社であったと同時に、名古屋鉄道との資本関係もあり、1956（昭和31）年に豊橋鉄道に吸収合併され、豊橋鉄道田口線となりました。飯田線との直通運転は、1963（昭和38）年3月に中止され、1968（昭和43）年に路線廃止となっています。
旧型国電の運行は、戦前形、80系ともに1983（昭和58）年に終了しました。
なお、1987（昭和62）年の国鉄分割民営化により全線がJR東海の管轄となった後、イベント列車としてクモハ12041が「ゲタ電号」として運転されています。

画像：所蔵写真（田切−伊那福岡間　1980.3）

飯田線には国有化直後から、木造国電や17m国電が転入し、戦後の1951（昭和26）年からはモハ42形をはじめとした20m車の転入も始まります。
長距離、かつ山岳路線の特徴から、2扉クロスシート車が多く配置されたほか、128kwの高出力車両（クモハ50・53・54・61形）も大多数が飯田線に配置されました。また、クハ16、クハ68にはトイレを増設した車両も多く見られます。
1968（昭和43）年からスカ色を採用しました。
1983（昭和58）年に、119系の新製配置により運行を終了しています。

撮影：中部天竜駅（1978.3.26）

飯田線での名物車両の代表格と言えるのが、流線形電車のクモハ52形で、1957（昭和32）年に関西から転入し、同年中にオレンジ色とブルーのツートンカラーに塗られて4両編成の快速電車として使用されました。その後、1963（昭和38）年には湘南色、1968（昭和43）年にはスカ色に変わりましたが、4両編成の先頭車としての運用は最後まで続き、1978（昭和53）年に80系の転入により運行を終了しました。

撮影：伊那松島−沢（1981.1.3）

飯田線での80系の定期運行は、1961（昭和36）年に準急（1966年から急行）「伊那」が名古屋〜辰野間で運行を開始したのが始まりで、1969年には飯田まで2両を増結した6両編成で運行しています。1972（昭和47）年に165系に置き換えられて一旦姿を消しました。
1978（昭和58）年に、ローカル電車として戦前型の約半数を置き換えることになり、再び飯田線全線での活躍が見られましたが、1982〜83年に165系の転入と119系の新製投入により運行を終了しました。

撮影：天竜峡−川路（1989.5.5）

1982年に165系とともに飯田線専用の新車119系が投入され、旧型国電をすべて置き換えました。
前年に広島地区に登場した105系をセミクロスシートにしたような車両ですが、クハの台車が101系からの流用であるなど、そろそろ国鉄末期の経費削減が見えてきました。

撮影：伊那大島−山吹（1989.5.5）

新車の119系とともに、165系も転入します。80系の正統派後継車と言えますが、2扉デッキ付は駅間の短いローカル運用には適せず、1991年までに線内のローカル運用は終了しています。

撮影：船町−下地間（2025.9.1）

時期的に旧型国電とは全く関係がないのですが、2011〜2026年の間、飯田線で使用された213系は、久々に2扉車が飯田線に転入したという点で、旧型国電を連想しました。
元々はJR東海が関西線用に新造した車両で、転換クロスシートを装備し、1M方式を採用しています。