6月6日、森滝義己がプロ野球史上5人目となる完全試合を達成。67勝60敗3分で3位とし、球団初、国鉄球団として最初で最後となったAクラス、シーズン通算勝ち越しを記録する。
1962年

9月5日、金田正一がメジャーリーグ、ウォルター・ジョンソンの記録を抜く通算3,509奪三振を達成。51勝79敗4分、首位阪神から24ゲーム差の最下位となる。セ・リーグは3割打者が1人という投高打低のシーズンだったが、その中でも国鉄のチーム打率は.201（313得点）で、これは2リーグ制以降の最低の記録である。11月、東映と共に韓国に遠征し、親善試合を行う[10]。砂押は監督を退任、後任は浜崎真二。オフに西鉄から豊田泰光を獲得。

年々増大する経営費のために経営主体は交通協力会から鉄道弘済会へと変わっていたが、公共企業・国鉄の球団であるという体面もあり、相当の緊縮財政だった。新人選手の契約金は高騰する一方で満足な補強もできず（当てになる戦力は金田だけだった）、同年に起こった三河島事故による批判は球団にも飛び火していた。この年の8月、球団譲渡を前提とした業務提携を産経新聞社、フジテレビジョン・ニッポン放送・文化放送と結び、フジサンケイグループとの関係が生じ、この時点で実質的な経営主体はフジサンケイグループに移る。
1963年

5月8日の対大洋戦（後楽園）で金田正一が通算300勝を達成。チームは65勝73敗2分、首位巨人から18ゲーム差の4位。浜崎は監督を退任、後任は林義一。
明治神宮球場移転後

1964年から本拠地を後楽園球場から明治神宮球場へ移転する（移転の経緯については後述のフジサンケイグループ及び明治神宮野球場#プロ野球を参照）。
1964年

7月30日、金田正一が入団2年目の1951年から14年連続となるシーズン20勝を達成[10]。61勝74敗5分、首位阪神と18.5ゲーム差の5位に終わる。オフに林義一の監督更迭・留任を巡り、産経新聞と国鉄は激しく対立。エースの金田が「林監督がそのまま続投した場合移籍するが、解任された場合は残留する」との声明を出したことから国鉄は頑として林の更迭を主張、一方の産経サイドは他社マスコミ（読売新聞、朝日新聞、毎日新聞）により、「林監督更迭」のスクープを先取りされていたことがあり、議論は平行線を辿り最終的には経営主体の産経サイドが意見を押し切った。林は留任し、金田は10年選手の特権を行使して巨人に移籍した。金田を失ったことにより国鉄は経営意欲を完全に喪失し、フジサンケイグループへ経営権を全て譲渡して経営から撤退することとした。もとより国鉄球団は業務提携後フジサンケイグループの資金力に丸々依存しており、移譲は時間の問題と見られていたが、喧嘩別れで球団譲渡という結末となった。
サンケイ時代
1965年

4月23日、国鉄は球団の経営権を産経新聞とフジテレビに譲渡することを発表し、5月10日、サンケイスワローズ（Sankei Swallows）に改称。

サンケイ初年度となったが、国鉄初年度以来の90敗以上となる、44勝91敗5分。首位巨人とは45.5ゲーム差となった。この年からドラフト会議が行われているが、1位指名の河本和昭を始め、11名中9名が入団拒否[注釈 5]している[注釈 6]。
1966年

1月7日、少年野球ファン開拓のため[12] という理由に加え、フジテレビで鉄腕アトムが放送されていたことや手塚治虫が当時球団後援会副会長（会長は徳川夢声）だったという経緯もあって鉄腕アトムをペットマークに使い、チーム名をサンケイアトムズ（Sankei Atoms）、運営会社名を株式会社サンケイアトムズに改称。ヤクルト本社が株式を取得して球団運営に参加。これに伴い、球団旗も当時の産経新聞の社旗をアレンジしたものを使っていた。

52勝78敗で大洋と並んで5位、首位の巨人とは37ゲーム差。
1967年

58勝72敗5分で首位の巨人と26ゲーム差の5位。巨人に3勝23敗の惨敗。後楽園球場で13連敗。武上四郎が新人王を獲得。
1968年

1月28日、神奈川県横須賀市に武山球場が完成、二軍本拠地となる。

5月26日には対広島戦に勝利し、球団通算1000勝を達成。来日2年目のデーブ・ロバーツが40本塁打を打つなどして、ベストナインを獲得。投手では石戸四六がチームとしては金田正一以来となるシーズン20勝を挙げる。64勝66敗4分、首位の巨人とは13ゲーム差の4位。
アトムズ時代

産経新聞は本体の業績不振のため、株式の一部をヤクルト本社へ売却。球団経営に積極的だった産経新聞・フジテレビジョン社長の水野成夫が病に倒れ、後を継いだ鹿内信隆がフジサンケイグループの事業見直しを行った結果、不採算だったプロ野球球団経営からの撤退、資本関係のみの継続を決めたもの。