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Elle débute depuis 1981 à Sathonay-Rillieux, son tronçon initial ayant été transféré au raccordement de Lyon-Saint-Clair pour permettre la liaison entre les gares lyonnaises et la LGV Paris-Sud-Est.
A l'origine mal équipée, elle a fait l'objet de travaux de modernisation dès 1987 avec la mise en service du block automatique à permissivité restreinte. Puis des travaux plus conséquents ont eu lieu en 2007-2008 avec remise à double voie partielle des Echets à Villars-les-Dombes, ajout d'une voie de terminus dans cette dernière gare, rénovation des gares, création de passerelles à Villars-les-Dombes et Saint-André-de-Corcy. En 2020, la voie 2 (celle qui existait avant le doublement) a été renouvelée des Echets à Villars-les-Dombes au prix d'une coupure estivale de la circulation.
De nos jours, elle accueille un important trafic voyageurs concernant la desserte suburbaine de Lyon jusqu'à Bourg-en-Bresse. Les trains joignant Lyon à Belfort transitent quant à eux par Ambérieu. La desserte marchandises concerne des expéditions vers le nord depuis la coopérative Oxyane de Villars-les-Dombes ou les établissements Bernard à Saint-André-de-Corcy, quelques fois dans l'année.
↑ 4,0 et 4,1En raison de la construction de l'A432, le pont sur l'A46 est déplacé et reconstruit, en anticipant un hypothétique doublement futur de la ligne.
Voie ferrée classée dans le réseau national (voyageurs et fret).
Notes
: Arrêt/halte ferroviaire de voyageurs en service : Ancien(ne) arrêt/halte ferroviaire de voyageurs désaffecté(e) : Gare/station ferroviaire de fret et de voyageurs en service : Gare/station ferroviaire de voyageurs en service : Ancienne gare/station ferroviaire de fret/voyageurs désaffectée : Gare de fret (marchandises)/de triage
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