Wanneer de eerste aanlegperiode van spoorlijnen door de Staat is afgerond, besluit de regering alsnog twee ontbrekende schakels in Nederlandse spoorwegnet aan te leggen. Eén hiervan is de zeventien kilometer lange verbinding tussen Arnhem en Nijmegen. Omdat een verbinding tussen beide steden zowel de Rijn als de Waal kruist, is deze niet eerder door een particuliere investeerder aangelegd. In 1879 nemen de Staatsspoorwegen de spoorlijn in gebruik. De korte staatslijn is een belangrijke schakel aan de oostzijde van het Nederlandse spoorwegnet. NS elektrificeert het traject in 1940 als onderdeel van het zogenaamde Middennet.

De spoorlijn van Leeuwarden naar Sneek en Stavoren is als onderdeel van de derde staatsaanleg van spoorwegen in Nederland in de jaren '80 van de 18e eeuw aangelegd. De vijftig kilometer lange spoorlijn sluit in Stavoren aan op de veerdienst naar Enkhuizen, dat eveneens tijdens de derde staatsaanleg op het Nederlandse spoorwegnet is aangesloten. In 1890 gaat de exploitatie van de spoorlijn Leeuwarden - Stavoren van de Staatsspoorwegen over naar de HSM. De spoorwegmaatschappij rijdt dan al tussen Amsterdam en Enkhuizen. De HSM biedt de daaropvolgende decennia via Stavoren en Enkhuizen een belangrijke concurrerende verbinding tussen Friesland en Amsterdam. In de jaren '30 van de 19e eeuw neemt het belang van de spoorlijn snel af. Hierna wordt het een regionale zijlijn welke diverse keren met sluiting is bedreigd.

Als onderdeel van de laatste grootschalige periode van aanleg van spoorlijnen door de Staat is in de jaren '80 van de negentiende eeuw de spoorlijn Lage Zwaluwe - Waalwijk - 's-Hertogenbosch aangelegd. Op 1 augustus 1950 staakt NS de reizigersdienst tussen Lage Zwaluwe en 's-Hertogenbosch. Gelijktijdig is het goederenvervoer tussen Geertruidenberg en Raamsdonk opgeheven. Op de baanvakken tussen Made en Geertruidenberg en tussen 's-Hertogenbosch en Raamsdonk laat NS nog tot in de jaren '70 goederentreinen rijden. In 1976 opent NS ter hoogte van de voormalige halte Made en Drimmelen een nieuwe aansluiting naar het industrieterrein Weststad in Oosterhout. Terwijl de meeste restanten van de Halvezolenlijn eind jaren '80 zijn opgebroken, is het traject tussen Lage Zwaluwe en Oosterhout nog altijd in gebruik voor het goederenvervoer.

In juni 1883 wordt de spoorlijn Nijmegen - Venlo in gebruik genomen. De verbinding maakt deel uit van de derde staatsaanleg en vormt een belangrijke schakel voor het kolenvervoer vanuit Limburg naar grote delen van Nederland. De eerste decennia rijdt ook een aantal doorgaande reizigerstreinen tussen Amsterdam en Maastricht via de verbinding. Het baanvak wordt vanaf de opening geëxploiteert door de Staatsspoorwegen. Met de opening van de spoorlijn Eindhoven - Weert ontstaat in 1913 een aanzienlijk kortere verbinding tussen Zuid-Limburg en de grote steden in het westen van Nederland. Het duurt echter nog tot na de Tweede Wereldoorlog totdat de verbinding Nijmegen - Venlo degradeert tot regionale zijlijn. In 2023 start de electrificatie van het traject.

Als onderdeel van de derde staatsaanleg wordt begin jaren '80 van de 19e eeuw de spoorlijn Zaandam - Enkhuizen aangelegd. In mei 1884 wordt het traject Zaandam - Hoorn in gebruik genomen. In juni 1885 volgt het baanvak Hoorn - Enkhuizen. De exploitatie van het baanvak gaat direct naar de HSM. Samen met de veerdienst tussen Enkhuizen en Stavoren en de staatslijn Stavoren - Leeuwarden vormt het traject lange tijd als concurrerende verbinding tussen Amsterdam en Noord-Nederland. Het samengaan van de verschillende spoorwegmaatschappijen en de opening van de Afsluitdijk zorgen ervoor dat de verbinding in de jaren '30 degradeert tot regionale zijlijn. Tegelijkertijd sluit NS verschillende stations. Het baanvak blijft nog lange tijd enkelsporig en valt buiten de grootschalige elektrificatieplannen. Wanneer in de jaren '60 verschillende plaatsen langs de lijn als groeikern worden aangewezen, neemt het aantal inwoners in de regio snel toe. Het gevolg is een groeiend aantal reizigers, treinen en nieuwe voorstadshaltes. Bovendien wordt het baanvak in 1974 geëektrificeerd en later tussen Zaandam en Hoorn Kersenboogerd van een tweede spoor voorzien.

Gelijktijdig met de nieuwe Betuwelijn legt de overheid een spoorlijn tussen Amersfoort en Kesteren aan. Het is de bedoeling om met de aanleg van de spoorlijnen een rechtstreekse treinverbinding tussen Amsterdam, Amersfoort, Nijmegen, en verder naar Duitsland te creëren. De verschillende belangen van de verschillende spoorwegmaatschappijen zorgen er echter voor dat het na de opening van de verbinding nog enkele jaren duurt voordat doorgaande internationale treinen vanuit Amsterdam naar diverse Europese steden over het traject rijden. Het samenvoegen van de verschillende spoorwegmaatschappijen en de Tweede Wereldoorlog zorgen er 50 jaar later voor dat de internationale hoofdspoorlijn al in 1944 wordt gesloten. In 1981 reactiveert NS het baanvak tussen De Haar aansluiting en Rhenen voor het forensenvervoer tussen groeikern Veenendaal en Utrecht.

Als onderdeel van de derde en laatste periode van staatsaanleg is op 15 juni 1884 de spoorlijn Groningen - Delfzijl geopend. Veertig jaar eerder zijn er al plannen voor een spoorwegverbindingen met de havenstad. Een aannemer uit de plaats vraagt in 1845 een concessie aan voor een spoorlijn tussen Harlingen en Leer via Leeuwarden en Groningen en een spoorlijn van Zwolle via Groningen naar Delfzijl. Ook Engelse partijen zijn geïnteresseerd in de verbindingen met het Duitse achterland. De plannen vervallen door geldgebrek. Harlingen krijgt in de loop van de jaren '60 van de negentiende eeuw bij de eerste staatsaanleg alsnog de verbinding met het Duitse achterland. Delfzijl moet nog twintig jaar wachten. De 38 kilometer lange spoorlijn wordt een jaar na de opening nog enkele kilometers doorgetrokken naar de haven. In 1893 legt de GLS vanuit Sauwerd een lokaalspoorweg naar Roodeschool aan. De SS exploiteert het traject en laat de meeste treinen dan ook van en naar Groningen rijden. In 1910 bereikt de NOLS-lijn uit Zuidbroek Delfzijl. En in 1929 krijgt de stad via de Woldjerspoorweg een tweede verbinding met Groningen. Vijf jaar later volgt de sluiting van de NOLS-lijn en enkele jaren later wordt ook de Woldjerspoorweg alweer gesloten. De staatslijn naar Delfzijl blijft voor zowel het reizigers- als het goederenvervoer in gebruik.

Tussen 1882 en 1885 nemen de Staatsspoorwegen tussen Dordecht en Elst de zogenaamde Betuwelijn in gebruik. Met de spoorlijn hebben de SS een eigen verbinding tussen de Rotterdamse haven en het Duitse achterland. In 1890 gaat het vervoer op de verbinding over naar de HSM. Deze maatschappij rijdt tevens de treinen op de aansluitende verbinding tussen Amsterdam en Amersfoort naar Nijmegen en Duitsland. Na de Tweede Wereldoorlog is de Betuwelijn slechts een regionale zijlijn met marginaal reizigersvervoer. De treindienst is in twee, later drie delen opgesplitst. Elk deel wordt inmiddels geëxploiteerd door een andere vervoerder. Intussen ontstaan in de jaren '80 plannen om het goederenvervoer tussen Rotterdam en Duitsland op de Betuwelijn te concentreren. Later is tussen Rotterdam en Zevenaar de geheel nieuwe Betuweroute aangelegd. Door aanpassingen aan het emplacement in Geldermalsen is vanaf de zomer van 2021 geen doorgaand treinverkeer over de Betuwelijn meer mogelijk.

Als onderdeel van de laatste grote periode van aanleg van spoorwegen door de Staat is op 1 januari 1881 de regionale spoorwegverbinding tussen Zwolle en Almelo in gebruik genomen. Vanaf 1888 loopt de lokaallijn Deventer - Almelo tussen Wierden en Almelo evenwijdig aan de staatslijn. Wanneer de lokaallijn wordt omgebouwd tot hoofdlijn, wordt het traject Wierden - Almelo dubbelsporig berijdbaar. De rest van de spoorlijn Zwolle - Almelo blijft enkelsporig. Hoewel er decennialang plannen zijn de verbinding te elektrificeren duurt het tot oktober 2016 voordat de lijn elektrisch berijdbaar is. Alleen het baanvak Wierden - Almelo is als onderdeel van de hoofdlijn tussen de Randstad en Twente al in 1951 geëlektrificeerd. In december 2017 gaat de exploitatie van de verbinding Zwolle - Enschede over naar Keolis.

Voor een snelle verbinding tussen Engeland en het Europese vasteland is begin jaren '90 van de negentiende eeuw de spoorlijn Schiedam - Hoek van Holland aangelegd. De lijn groeit uit tot onderdeel van één van de belangrijkste en snelste verbindingen tussen Londen en steden als Berlijn en Moskou. Na de Eerste Wereldoorlog loopt het belang van de verbinding terug en maken vooral toeristen gebruik van de veerboten. Zo'n honderd jaar na de opening van de spoorlijn verdwijnen de laatste rechtstreekse treinverbindingen tussen Hoek van Holland en verschillende Europese steden. De lijn is ondertussen een belangrijke voorstadsverbinding tussen Rotterdam en Schiedam, Vlaardingen en Maassluis als zodanig al in 1935 geëlektrificeerd. In de periode 2017-2019 is de spoorlijn omgebouwd tot onderdeel Rotterdamse metronet en herinnert nog weinig aan wat ooit een belangrijke schakel in het Europese spoorwegnet is geweest.