Протяженность и границы районов обслуживания дороги в годы первых пятилеток неоднократно изменялись. В 1930 году к ней были присоединены участки Конград — Нижнеднепровск, Апостолово — Лоцманская и Апостолово — Херсон бывшей Мерефо-Херсонской железной дороги и линия Апостолово — Лоцманская, построенная в 1928–1930 годах. Этого требовали изменения в развитии экономики районов.
В административном отношении дорога была разделена на четыре эксплуатационных района — Днепропетровский, Авдеевский, Александровский, Знаменский. При этом Днепропетровский район, обслуживавший Криворожский рудный край, все промышленные предприятия Днепропетровска и примыкающего к нему объединения «Сталь», по эксплуатационному протяжению был почти о два раза больше остальных районов. Поэтому в 1931 году из состава Днепропетровского района был выделен самостоятельный, пятый район с центром на станции Долгинцево.
В 1932 году дороге была передана линия Синельниково — Севастополь со всеми боковыми линиями и ветвями, включая весь Крымский участок, общей протяженностью 912 километров.
К концу второй пятилетки дорога имела восемь эксплуатационных отделений: Днепропетровское (эксплуатационная длина путей 564,7 километра), Долгинцевское (350,2), Пологовское (354,5), Апостоловское (286,1), Симферопольское (381,6), Сарыгольское (219,7), Запорожское (248,9) и Мелитопольское (342,9).
В 1936 году Екатерининская дорога переименована на Сталинскую железную дорогу.
В связи с новым районированием, от нее отошли к Одесской дороге участки: Крюков — Знаменка — Николаев, Водопой — Херсон, Пятихатки — Користовка, Водопой — Снигиревка; в 1937 году — в связи с организацией Южно-Донецкой железной дороги к ней отошли участки, расположенные на восток от станций Чаплино и Цареконстантиновка.
В 1938 году дороге был передан участок Синельниково — Павлоград.
К началу 1939 года граничными пунктами дороги оказались с Южно-Донецкой дорогой: Чаплино, Цареконстантиновка, Павлоград; с Южной дорогой: Павлоград, Константиноград; с Одесской дорогой: Пятихатки, Долинская и Снигиревка.
Эти границы до начала Великой Отечественной войны не изменялись и в их пределах дорога имела однопутных линий 2159,9 километра, двухпутных — 571, трехпутных — 17,7 километра. Развернутая их длина составляла 3329 километров.
ЛЕНИНСКИЙ ПЛАН ГОЭЛРО В ДЕЙСТВИИ
Одним из самых знаменательных событий в истории дороги во второй пятилетке было начало ее электрификации по плану ГОЭЛРО.
Первоначально намечалось электрифицировать участок Пятихатки — Ясиноватая. Да это и понятно — участок с двухколейными путями был главным, поскольку соединял железорудный Кривбасс с угольным Донецким бассейном и проходил через Приднепровье с его высокоразвитой металлургической и машиностроительной промышленностью. Но на заседании комиссии по дальнейшей разработке плана ГОЭЛРО в ноябре 1923 года первоначальный замысел был изменен и принято решение электрифицировать участок Долгинцево — Запорожье с достройкой участка Чаплино — Запорожье. Таким образом, этот участок предполагалось превратить в магистраль, соединяющую Донецкий каменноугольный бассейн с криворожскими рудниками и с Запорожским портом на Днепре.
Состоявшийся в июне 1931 года Пленум ЦК ВКП(б) рассмотрел вопрос о состоянии и очередных задачах железнодорожного транспорта и в своем решении признал, что ведущим звеном реконструкции железнодорожного транспорта в перспективе его развития является электрификация железных дорог. Принимая развернутое решение по вопросам нового железнодорожного строительства и усиления пропускной способности эксплуатируемых железнодорожных линий, Пленум подчеркнул особое народнохозяйственное значение электрификации железных дорог и предложил обеспечить развертывание работ в соответствии с планом ГОЭЛРО.
Электрификация однопутного участка Запорожье — Долгинцево протяженностью 203 километра была одним из звеньев в начале осуществления идеи В. И. Ленина об электрификации всего народного хозяйства.