Au 1er janvier 1945, alors que l'établissement se relève de ses ruines, l'effectif machines porte sur 58 unités dont nombre sont hors service. Progressivement, l'enveloppe du parc s'étoffe à nouveau avec la réception de 150P et de 040D rapatriées d'Allemagne.

Un renforcement significatif du potentiel de traction est obtenu à partir de 1946 avec l'arrivée de 141 R 1-700 à chauffe charbon. Le dépôt est en pleine reconstruction. Début 1948, avec un lot de 33 150P, les 150A, C, ont capitulé et rejoint Béthune, Somain, Valenciennes et Hirson. La vieille garde (140B, C, D devenues 140G) commence à s'esquiver.

Deux rotondes moderne de type P en béton armé, semi-annulaires, sont alors mise en service.

En 1953, la dotation de Longueau est dominée par les 150P et 141R au nombre de 36 et 48, travaillant en osmose complète. Pour les dessertes régionales, des 040D sont utilisées.

A partir de 1955, des 050TE ex-PO et Midi provenant des régions Sud-Ouest et Sud-Est prennent la place des 050TD de manoeuvres.

L'électrification Nord-Paris en 1958 jette la condamnation sur le parc vapeur, avec réduction sensible des effectifs. A la mise sous tension de la gare d'Amiens, en mai 1960, la fin de la vapeur dans ce dépôt conduit quelques 230D à terminer leurs jours à Longueau. Celui-ci récupère, le 1er juillet 1962, sa cavalerie diesel, alors composée de BB 66000, 63000, autorails X2400, ABJ X3400 et Standard.

A l'automne 1963, les grosses 150P sont bloqué à Verberie avant que n'intervienne la fermeture de la ligne des charbons.

La vapeur s'éteint à l'été 1966 avec la chute des dernières 150P, 141R, 040D et 050TE. Des EAD X4300 puis X4500 arrivent alors, ainsi que des BB 63500, en 1968.

L'année suivante, des ABJ X3100, 3200, viennent remplacer les Standard, voués à la casse, et des X2400 mutés à Montluçon et Nimes. Ils sont condamnés par la suite avec la venue d'X 3800.

La rotonde, devenue inutile, est démolie en 1971.

Tourné dorénavant vers la traction thermique, le dépôt de Longueau reçoit quelques RTG en 1973/1974.

Dès 1974 et 1975, 2 douzaines de BB 67400. En 1976, la dotation autorails n'est plus formée que d'EAD X 4500 / X 4630, auxquels s'ajoutent des X 4750 jusqu'en 1981.

Au 1er janvier 1987, la dotation de Longueau recouvre 34 machines BB 67400, 49 BB 66000, 39 BB 63500, 96 X4500-x4630 et 47 locotracteurs des séries Y5100, Y6200, Y6400, Y7100, Y7400 et Y8000.

En septembre 1990, il récupère 10 éléments triples Z 6300 de la banlieue Saint Lazare, pour tournée omnibus d'Amiens à Arras, Lille, Creil... Cet apport oblige à électrifier une voie d'accès depuis la gare voyageurs de Longueau dans l'atelier.

En 1991 et 1992, 46 diesels 2400 rachetées d'occasion au NS (chemin de fer hollandais), numérotés BB 62400, viennent prendre asile pour les travaux de la LGV Nord et de l'interconnexion. Parmi elle, 41 émigrent à Avignon à compter de la fin 1998.
Dans l'intervalle, le groupe Z 6300 est passé à 22 éléments, envoyés à Thionville jusqu'en 2002, tandis que des BB 67200 (ex BB 67000) ont en charge les travaux et secours des TGV sur la LN3 Nord-Europe.