金田正一は7月15日の対中日戦（中日）で2000奪三振を記録。8月21日の対中日戦（中日）でプロ野球4人目の完全試合を達成し、この年は最多勝利と最優秀防御率を獲得、沢村賞と自身初のベストナインに選ばれている。佐藤孝夫が22本塁打で本塁打王となる。チームは58勝68敗4分、首位巨人から15.5ゲーム差の4位に終わる。
1958年

開幕戦の対巨人戦（後楽園）、金田正一が巨人のルーキー長嶋茂雄を4打席連続三振に抑えるなど、4対1で勝利する。翌4月6日のダブルヘッダーでも4対2、4対3と勝利し、開幕3連勝とする[9]。5月24日の対阪神戦（甲子園）で飯田徳治がアキレス腱切断、日本プロ野球記録の連続試合出場記録が1246で止まる[8]。6月6日、金田が球団初の通算200勝を達成[注釈 4]。チームは2年連続の58勝68敗4分、首位巨人から17.5ゲーム差の4位に終わる。金田正一が投手部門三冠王（最多勝、防御率、奪三振）と沢村賞を獲得。
1959年

この年も開幕戦の対巨人戦（後楽園）で金田正一が巨人のルーキー王貞治を2三振に抑えている。チームは63勝65敗2分、首位巨人から15.5ゲーム差の4位に終わる。
1960年

9月30日に金田正一が対中日戦（後楽園）で勝利して、10年連続20勝を達成するが[10]、チームは54勝72敗4分、首位大洋から17.5ゲーム差、7年ぶりの最下位となる。1960年限りで宇野は監督を解任[11]。後任は砂押邦信。
1961年

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。

翌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