พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้ พระองค์เจ้าบุรฉัตรไชยากร รักษาการตำแหน่งเจ้ากรมรถไฟสายเหนือ ในปี พ.ศ. 2460 ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้รวมกรมรถไฟสายเหนือกับสายใต้เข้าเป็นกรมเดียวกัน เรียกว่า "กรมรถไฟหลวง" และให้พระเจ้าน้องยาเธอ พระองค์เจ้าบุรฉัตรไชยากร กรมขุนกำแพงเพ็ชรอัครโยธิน ดำรงตำแหน่งผู้บัญชาการกรมรถไฟหลวง และทรงบุกเบิกพัฒนากิจการต่างๆ ของกรมรถไฟหลวง ขยายเส้นทางเดินรถไฟสายเหนือและสายใต้เข้าด้วยกัน สายตะวันออกเฉียงเหนือทรงสร้างทางรถไฟจากนครราชสีมาถึงอุบลราชธานี สายตะวันออกจากฉะเชิงเทรา (แปดริ้ว) ถึงอรัญประเทศ ทรงนำรถจักรดีเซลเข้ามาใช้เป็นประเทศแรกในทวีปเอเชีย

ในระหว่างที่การก่อสร้างทางสายเหนือและสายใต้ใกล้จะเสร็จ ก็ได้เริ่มทำการก่อสร้างทางรถไฟสายตะวันออกเฉียงเหนือและสายตะวันออกต่อไปอีก คือ จากนครราชสีมาถึงสถานีอุบลราชธานี และสถานีขอนแก่น และจากสถานีหัวลำโพง ถึงสถานีอรัญประเทศ พระบาทสมเด็จพระมงกุฏเกล้าเจ้าอยู่หัว ได้โปรดเกล้าฯ ให้เปลี่ยนแปลงทางรถไฟเป็นทางกว้าง 1 เมตร ตามอย่างมาตรฐานที่นิยมในภูมิภาคของประเทศแถบนี้ แล้วสร้างทางรถไฟต่อจากฉะเชิงเทรา (แปดริ้ว) ไปเชื่อมกับทางรถไฟกัมพูชาที่ด่านคลองลึก อำเภออรัญประเทศ โดยได้รับความร่วมมือจากหน่วยทหารช่าง ในการวางราง มีร้อยเอกหลวงรณรงค์สงคราม ยศในขณะนั้นต่อมาคือ (พันเอก พระยาทรงสุรเดช) หนึ่งในคณะราษฎรเป็นผู้บังคับการทหารช่างรถไฟ กองพันที่ 2 กรมทหารบกที่ 3 เมื่อ พ.ศ. 2461 ก่อสร้างทางรถไฟสายตะวันออกจากแปดริ้วถึงสถานีรถไฟปราจีนบุรี ต่อจากนั้นกรมรถไฟหลวงได้ดำเนินการก่อสร้างเอง และได้เปิดการเดินรถ จากแปดริ้วถึงกบินทร์บุรี ระยะทาง 100 กิโลเมตร เมื่อวันที่ 1 มกราคม พ.ศ. 2467 และเริ่มเปิดการเดินรถจากกบินทร์บุรีถึงสถานีอรัญประเทศ ระยะทาง 94 กิโลเมตร ในวันที่ 8 พฤศจิกายน พ.ศ. 2469 ในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัว การบริหารกิจการรถไฟเกี่ยวกับด้านเดินรถและด้านพาณิชย์ได้ก้าวหน้ามาตามลำดับโดยเฉพาะในปี พ.ศ. 2496 การรถไฟได้รับการติดต่อจากการรถไฟกัมพูชา และจากการรถไฟมลายา ขอให้เปิดการประชุมเพื่อเจรจาหารือทำความตกลงกันเกี่ยวกับการเดินขบวนรถเชื่อมต่อกัน ผลของการประชุม คือ คณะผู้แทนรถไฟกัมพูชาได้เจรจาเรื่อง การเชื่อมทางรถไฟกัมพูชากับรถไฟไทยในทางรถไฟสายตะวันออก (สายอรัญประเทศ) และได้เปิดการเดินรถไฟติดต่อระหว่างประเทศ ในวันที่ 22 เมษายน พ.ศ. 2498 ต่อมาได้หยุดการเดินรถไฟไประยะหนึ่ง ตั้งแต่วันที่ 27 ตุลาคม พ.ศ. 2504 แล้วเปิดการเดินรถใหม่อีกครั้งเมื่อวันที่ 2 พฤศจิกายน พ.ศ. 2513 แต่ก็ได้ยุติการเดินรถอีก เมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม พ.ศ. 2517