Le Tram-train Évry — Massy trouve son origine dans le projet de Tangentielle Sud ou Tangentielle Sud-Ouest, qui se proposait de relier par une nouvelle ligne RER la ville de Versailles, voire celle d'Achères dans les Yvelines à celle de Melun en Seine-et-Marne, en passant par Massy et Évry.
Le projet comportait plusieurs opérations :
- la modification du plan de voies, ainsi que la création d’un garage, d’un site d’entretien et d’un centre de gestion des opérations à Massy - Palaiseau ;
- la construction d’une ligne entièrement nouvelle de 7 kilomètres entre Épinay-sur-Orge et Grigny, essentiellement en tunnel ;
- la création de deux gares nouvelles à Épinay-sur-Orge et à Grigny ;
- la mise en accessibilité de l’ensemble des gares aux personnes à mobilité réduite ;
- le remplacement de la totalité des passages piétons par des ouvrages d’art ;
- la suppression de plusieurs passages à niveau sur les lignes existantes.
Les études ont été présentées en commission de suivi du STIF le 23 septembre 2004.
Inscrit avec un budget de 300 millions d'euros au contrat de plan État-Région 2000-2006, le projet d'un coût global d'environ un milliard d'euros a finalement été abandonné en 2006 compte tenu de son coût considéré comme prohibitif en comparaison de ses retombées attendues. Les crédits attribués ont en conséquence été perdus. Le Syndicat des transports d'Île-de-France (STIF) a alors proposé de son côté une solution tram-train, moins onéreuse mais remettant en cause toutes les études menées. Sur sa partie essonnaise, le projet s'est alors transformé en une plus modeste et viable ligne de tram-train reliant Évry à Massy, le confort, la vitesse et le nombre de passagers transportés étant forcément inférieurs au projet initial.
Dans le cadre du « Plan banlieue » approuvé par le Comité interministériel des villes du 20 juin 2008, l'État s'est dit prêt à financer à hauteur de 220 millions d'euros pour « soutenir au moins 4 projets spécifiques dont le Tramway T4 vers Clichy-Montfermeil, la tangentielle Nord, le tram-train Massy-Evry et la liaison RER D/RER B (Barreau de Gonesse) ».