La ligne naît à la gare de La Défense en souterrain, avec deux voies encadrant un quai central de 7,30 mètres de large, le long des voies ferrées de la ligne Paris Saint-Lazare - Versailles-Rive-Droite/Saint-Nom-la-Bretèche. Ce quai est celui qui était utilisé par les trains en direction de Saint-Cloud, Versailles-Rive-Droite et Saint-Nom-la-Bretèche avant la réorganisation de la gare SNCF de La Défense au milieu des années 1990. Comme ce quai était établi à une hauteur de 1,15 mètres, l'arrivée du tramway a imposé la surélévation des voies de façon à recréer artificiellement des quais bas. Seule une partie d'environ 70 mètres est utilisée pour l'exploitation actuelle du T2. À terme, et suite à des modifications faites durant l'été 2008 (rehaussement d'une partie des voies du tramway au sud du point d'arrêt actuel) et après la création de 2 nouveaux accès à effectuer, deux trains en sens opposé stationneront à des emplacements décalés du quai central pour éviter la saturation des accès : la longueur totale de quai utilisée sera alors de plus de 120 mètres.
La plate-forme du tramway comme la voie ferrée qui lui est parallèle débouchent à l'air libre au sud du boulevard circulaire, après un souterrain de 410 mètres sous la dalle de La Défense. La plate-forme est en tranchée jusqu'à la gare de Puteaux, commune avec la voie ferrée SNCF.
La ligne descend progressivement vers la Seine tandis que la voie ferrée Paris – Versailles reste plus haut à flanc de coteau, mais les itinéraires restent longtemps parallèles. Sur le territoire de Suresnes, la ligne dessert la station Belvédère. Au pied du mont Valérien, la ligne traverse un premier tunnel de 315 mètres, puis atteint la station Suresnes - Longchamp. Maintenant en remblai, le tracé domine un quartier pavillonnaire avant d'atteindre la station suivante Les Coteaux à Saint-Cloud. La ligne accentue sa descente vers le fleuve avec une pente de 5 à 10 mm/m, et atteint la station Les Milons, au centre d'un quartier d'habitat collectif. La ligne est alors traversée par deux passages à niveau successifs, puis atteint la station Parc de Saint-Cloud, au pied du viaduc de l'autoroute de Normandie.
Le tracé emprunte ensuite un tunnel de 220 mètres de long sous les ouvrages du carrefour routier du pont de Saint-Cloud et se rapproche de la Seine, au pied du parc de Saint-Cloud. En 2006, les travaux préparatoires du centre nautique de l'Île Monsieur ont, entre autres, intégré un ripage des voies du T2 sur ce tronçon : la ligne qui longeait la Seine auparavant a été déplacée le long de la RD 7 et croise deux accès routiers au centre nautique. En reprenant son tracé d'origine, la ligne atteint la station musée de Sèvres, à proximité du musée national de la Céramique. Après le pont de Sèvres, la ligne quitte les rives de la Seine face à l'Île Seguin pour contourner d'anciens bâtiments des usines Renault, et dessert la station Brimborion, ancienne gare de Bellevue - Funiculaire, au pied de l'ancien funiculaire de Bellevue et du parc de Brimborion. La ligne dessert ensuite la station de Meudon-sur-Seine puis amorce une nouvelle descente jusqu'à Issy-les-Moulineaux, desservant la station Les Moulineaux au cœur d'un quartier d'habitat collectif et de bureaux. Le poste de commandement de la ligne (PCL) se situe à proximité de cette station.
La ligne longe l'atelier de maintenance et les garages, avant de desservir la station Jacques-Henri-Lartigue. La plate-forme est alors située en contrebas de la ligne C du RER et atteint la gare d'Issy - Val de Seine qui donne correspondance à cette ligne. Depuis son prolongement à la Porte de Versailles, la ligne amorce ici une forte pente avec le profil nécessaire pour passer sous la plate-forme du RER C par un ouvrage souterrain d'une longueur d'environ 150 mètres.
La ligne côtoie ensuite les infrastructures de la ligne C du RER jusqu'à la limite entre les communes d'Issy-les-Moulineaux et de Paris où elle quitte la plate-forme du RER C et le domaine ferroviaire de Réseau ferré de France, au sud du boulevard périphérique, par un pont-rail d'une longueur de 60 mètres et d'une largeur de 8,35 mètres, qui lui permet le franchissement de la rue Bara et du boulevard Gallieni.
Après le pont-rail, elle redescend au niveau du sol sur une longueur d'environ 115 mètres et se raccorde ainsi au terrain naturel. La station Henri Farman se situe quelques mètres plus loin à côté d'une bretelle d'accès au boulevard périphérique. La ligne se poursuit, au niveau de la chaussée, sur le côté nord de la rue Henri-Farman en bénéficiant d'une voie réservée et gazonnée à côté d'une bretelle de sortie du boulevard périphérique. Elle croise l'avenue de la Porte-de-Sèvres et atteint la station Suzanne Lenglen, à l'entrée du parc Suzanne-Lenglen, à hauteur de l'Aquaboulevard, en position latérale, au sud de la rue Louis-Armand.
La ligne parcourt cette rue sur une centaine de mètres, et parvient au croisement avec la rue Jeanne-d'Arc (Issy-les-Moulineaux) et la rue de la Porte-d'Issy (Paris), où la plate-forme du tramway maintenant située rue d'Oradour-sur-Glane repasse en position centrale après le croisement avec le carrefour. Elle atteint aussitôt la station Porte d'Issy, station dont le quai, central, est assez étroit en raison de la faible largeur de la rue d'Oradour-sur-Glane.
La ligne continue dans cette rue en position centrale et, en atteignant l'avenue Ernest-Renan, oblique d'un angle d'à peu près cent degrés vers le nord-est, pour s'engager dans cette avenue et passer sous le boulevard périphérique. Elle longe le parc des expositions de Paris en position latérale, sur le côté est de l'avenue Ernest-Renan, avant d'atteindre son terminus, Porte de Versailles, dont le quai est central. Elle offre là une correspondance commode avec la ligne 12 du métro et la ligne 3 du tramway.
L'aménagement des stations et leur mobilier ont été conçus par l'agence Plan Créatif. Le quai des stations, allongé en 2003, mesure 65 mètres, permettant d'accueillir les rames doubles Citadis. La ligne est équipée du système d'information en ligne, couramment désigné par le sigle SIEL, système permettant l'affichage du temps d'attente des deux prochains trains. Un quai au moins par station (à l'exception de La Défense) est équipé d'un automate délivrant l'ensemble des titres de transport en vente en Île-de-France.
Station | Lat/Long | Zone | Communes | Correspondances | |||
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o | La Défense | 3 | Puteaux |
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o | Puteaux | 3 | Puteaux | ||||
o | Belvédère | 3 | Suresnes | ||||
o | Suresnes — Longchamp | 3 | Suresnes | ||||
o | Les Coteaux | 3 | Saint-Cloud | ||||
o | Les Milons | 3 | Saint-Cloud | ||||
o | Parc de Saint-Cloud | 3 | Saint-Cloud |
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o | Musée de Sèvres | 3 | Saint-Cloud, Sèvres |
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o | Brimborion | 3 | Sèvres, Meudon | ||||
o | Meudon-sur-Seine | 3 | Meudon | ||||
o | Les Moulineaux | 2 | Issy-les-Moulineaux | ||||
o | Jacques-Henri Lartigue | 2 | Issy-les-Moulineaux | ||||
o | Issy — Val de Seine | 2 | Issy-les-Moulineaux |
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o | Henri Farman | 1 | Paris 15e | ||||
o | Suzanne Lenglen | 1 | Paris 15e |
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o | Porte d'Issy | 1 | Paris 15e |
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o | Porte de Versailles | 1 | Paris 15e |
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(les stations en gras servent de départ ou de terminus à certaines missions)
Conformément à la réglementation, les stations et les rames sont accessibles aux personnes à mobilité réduite.
Les ateliers d'Issy-les-Moulineaux servent de remisage aux quarante-deux rames de tramway, ainsi que de centre de maintenance. Ils comprennent un hall de maintenance et un faisceau de voies de garage, l'ensemble représentant une surface de 12 550 m2, dont 3 680 m2 de surface couverte. Le site de maintenance et de remisage jouxte une opération immobilière. Le hall de maintenance accueille trois voies parallèles dont deux positions de maintenance, sur fosses et avec passerelle d'accès à la toiture des rames. Un tour en fosse est implanté à l'extrémité d'une des voies sur pilotis. C'est là que se déroulent les opérations d'inspection, de réparation ou encore le reprofilage (« réalésage ») des roues en fosse afin de limiter les risques pour la sécurité et les nuisances sonores. La troisième voie à plat est équipée de vérins mobiles pour réaliser les échanges de bogies. Une station service, dotée d'une machine à laver à rouleaux, comparable à celles utilisées pour les voitures, permet par ailleurs d'effectuer les opérations de nettoyage des rames, tant extérieures qu'intérieures, ainsi que le remplissage des sablières. Les ateliers abritent un véhicule multi-usage pouvant circuler sur la voie de tramway ou sur route, et qui permet notamment de tracter une rame de tramway lorsque le courant de traction n'est pas disponible.