日東電鉄が上三川への延伸を果たし、宇都宮石材軌道が輸送の限界を迎えていた頃、この両者の合併話が密かに持ち上がっていた。日東電鉄側としては、免許が降りそうもない宇都宮〜日光間(日東電鉄への免許を交付しない理由づけのために宇都宮石材軌道の軽便鉄道線の認可が降りた、という説もある。)の敷設をせずに、改軌と上三川〜宇都宮および戸祭〜徳次郎間の工事のみで日光に到達できる、宇都宮石材軌道側としては、限界に達している輸送力を何倍にも増強できる、というメリットがあった。国内の競合をやめ欧米列強へ団結して対立していこうとする国内の雰囲気も手伝って、合併の話はトントン拍子に進んでいく。
 …かに思われた。ここで問題が発生する。それは合併後の社員構成と会社名。両者ともに、「合併後の社員構成を元自社メンバーを中心にする」「社名は自社のものにする」ことを譲らず、この2点に関して大揉めしたのだ。これによって、ある時を境に全く合併話が進まなくなる。
 しかし、1920年代後半に入ると、大谷石の需要の落ち着きや自動車の発達による輸送力低下、関東大震災の特需をうまく活かしきれなかったことが災いし、宇都宮石材軌道の経営は傾く。対等だった両社の間には力関係でも差が生まれ、結局1930年に宇都宮石材軌道は日東電鉄に吸収合併され、徳次郎〜新今市間を今市線、立岩〜鶴田間を大谷線、人車軌道網をまとめて軌道線とした。このうち今市線と大谷線は改軌され残ることとなるが、軌道線は経営悪化のため1930年代に全線廃止となっている。
 合併と同時に今市線と大谷線の改軌、上三川〜宇都宮間および戸祭〜徳次郎間、さらに、宇都宮石材軌道が免許を所持していた新今市〜日光間の建設がスタートした。これらの工事は1934年には全て完了し、晴れて日東電鉄は当初の目的であった上野〜日光間の電車による直通運転が開始された。