Tegelijkertijd met de spoorlijn Zwolle - Stadskanaal legt de NOLS de aansluitende zijtak tussen Assen en Gasselternijveen aan. De spoorlijn wordt op 15 juni 1905 geopend. Op diezelfde dag wordt ook de verbinding tussen Gasselternijveen en Stadskanaal in gebruik genomen. De spoorlijn uit Zwolle en Emmen bereikt het dorp pas een half jaar later. Het reizigersvervoer tussen Assen en Gasselternijveen is in mei 1939 gestaakt. Een jaar later wordt de treindienst echter weer hervat. Het duurt nog tot mei 1947 voordat NS de treindienst opnieuw staakt. In november 1968 wordt ook het goederenvervoer tussen Assen en Gieten opgeheven. Nog geen vier jaar later volgt het traject Gieten - Gasselternijveen. Het complete traject is in 1977 opgebroken.

Als laatste spoorlijn van het NOLS-netwerk tussen Twente en Delfzijl wordt in augustus 1910 de verbinding Stadskanaal - Zuidbroek geopend. Na een korte onderbreking even voor de Tweede Wereldoorlog beëindigt NS in mei 1953 het reizigersvervoer opnieuw. De lijn blijft hierna in gebruik voor het vervoer van goederen. In 1990 stopt NS echter het goederenvervoer tussen Veendam en Stadskanaal. Enkele jaren later neemt de Stichting Stadskanaal Rail het traject over voor een toeristische treindienst tussen Veendam en Musselkanaal. Tussen Zuidbroek en Veendam blijven goederentreinen rijden. In mei 2011 is bovendien het reizigersvervoer op dit traject hervat. In 2019 wordt bekend dat ook het baanvak tussen Veendam en Stadskanaal weer voor het reizigersvervoer in gebruik wordt genomen.

De Noordoosterlocaalspoorweg-Maatschappij is in eerste instantie opgericht om een spoorwegverbinding tussen Twente en de haven van Delfzijl te realiseren. Het bedrijf legt echter eerst de verbinding tussen Zwolle, Emmen en Stadskanaal aan. Hierna volgen diverse zijtakken waardoor de NOLS uiteindelijk in 1910 over een eigen net van lokaalspoorwegen van Twente naar Delfzijl kan rijden. Ondanks de hoge verwachtingen van de verbinding, is het grootste deel van het netwerk van de NOLS al voor de Tweede Wereldoorlog gesloten. Naast de verbinding tussen Zwolle en Emmen blijft ook de bijna 19 kilometer lange zijtak tussen Mariënberg en Almelo in gebruik. De spoorlijn is op 1 oktober 1906 geopend en lange tijd vooral van belang voor het goederenvervoer. Zo maken tot in de jaren '90 de olietreinen van Schoonebeek naar Pernis gebruik van de verbinding. Voor het personenvervoer is het jarenlang de minst rendabele spoorlijn van het Nederlandse spoorwegnet. In 1995 is de verbinding dan ook als eerste spoorlijn openbaar aanbesteed. Na Oostnet en Connexxion, is Arriva vanaf december 2013 de derde commerciële vervoerder op het traject.

In de eerste jaren van de twintigste eeuw legt de NOLS de spoorlijn Zwolle - Stadskanaal aan. De spoorwegmaatschappij legt na de opening van de verbinding diverse aansluitende spoorwegen in de regio aan. In de jaren '30 worden de eerste delen van het traject gesloten. Na de Tweede Wereldoorlog rijden zowel reizigers- als goederentreinen niet verder dan Emmen. Over het noordelijke deel van het traject rijden nog enkele decennia goederentreinen vanuit Assen. In 1961 bouwt NS het resterende traject tussen Zwolle en Emmen om tot hoofdspoorlijn. Halverwege de jaren '80 is de lijn geëlektrificeerd en gedeeltelijk dubbelsporig gemaakt. In december 2007 neemt de lokale overheid de spoorlijn over van het Rijk. Onder de naam Vechtdallijnen wordt het traject samen met de spoorlijn Mariënberg - Almelo aanbesteed. Arriva wint de concessie en neemt in december 2012 de reizigersdienst tussen Zwolle en Emmen over van NS.