En 2010, le parcours complet de la ligne demande seulement quatre minutes. Comme sur les principales lignes du métro de Paris, le premier départ a lieu de la tête de ligne vers 5 h 30 (5 h 27 de Porte des Lilas et 5 h 32 de Gambetta) ; le dernier départ a lieu à 1 h 04 de Porte des Lilas et à 1 h 11 de Gambetta, mais il est fixé respectivement à 2 h 05 et à 2 h 11 les nuits des vendredis aux samedis, des samedis aux dimanches et des veilles de fête aux jours de fête. La ligne est correctement desservie malgré sa faible fréquentation : l'intervalle moyen entre les rames est de trois à cinq minutes en journée et de huit à neuf minutes en extrême soirée. Le dimanche matin, l'intervalle est de six à huit minutes, et de dix minutes les nuits des vendredis aux samedis, des samedis aux dimanches et des veilles de fête aux jours de fête après 0 h 30 (après 1 h 15 les nuits des vendredis aux samedis).
Jusqu'en 1971, le matériel roulant circulant sur ce tronçon est celui de la ligne 3. Puis, le matériel utilisé est le Sprague-Thomson, jusqu'en juillet 1981. Depuis cette date, la ligne est parcourue par des rames MF 67 ne comportant que trois voitures en raison de la faible affluence. Ces voitures sont identiques à celles de la ligne 9 excepté le fait qu'elles ne comportent pas de strapontins.
On distingue deux catégories de personnel : les agents en station et les agents de conduite. Les agents de station ont pour mission de tenir la caisse, d'assurer le contrôle des voyageurs ainsi que la gestion des lieux, la vérification des installations et des autres tâches à définir selon les besoins du service. Quelques agents sont par ailleurs détachés pour la durée du service afin d'assurer les relèves de caisses. Les conducteurs assurent la marche des rames. Le service est assuré sur trois roulements de travail (jour, mixte, nuit).
La tarification de la ligne est identique à celle en vigueur sur tout le reste du réseau et est accessible avec les mêmes abonnements. Un ticket t+ permet un trajet simple quelle que soit la distance avec une ou plusieurs correspondances possibles avec les autres lignes de métro ainsi que le RER, mais uniquement dans Paris intra-muros pour ce dernier.
Le financement du fonctionnement de la ligne (entretien, matériel et charges de personnel) est assuré par la RATP. Cependant, les tarifs des billets et abonnements dont le montant est limité par décision politique ne couvrent pas les frais réels de transport. Le manque à gagner est compensé par l'autorité organisatrice, le STIF, présidé depuis 2005 par le président du Conseil régional d'Île-de-France et composé d'élus locaux. Il définit les conditions générales d'exploitation ainsi que la durée et la fréquence des services. L'équilibre financier du fonctionnement est assuré par une dotation globale annuelle aux transporteurs de la région grâce au versement transport payé par les entreprises et aux contributions des collectivités publiques.
Le trafic de la ligne 3 bis est inclus dans les statistiques de la ligne 3 présentées ci-dessous.
Année | 1992 | 1993 | 1994 | 1995 | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 |
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Nombre de voyageurs | 88,1 | 87,1 | 87,2 | 76,3 | 83,3 | 84,5 | 85,3 | 87,6 | 93,2 | 95,9 | 94,2 | 90,6 | 87,6 |
En 1998, le trafic annuel de la seule ligne 3 bis se monte à 1 949 408 voyageurs. À titre de comparaison, il faut quatre jours en semaine à la ligne 1 pour atteindre ce même trafic. Le trafic quotidien atteint 6 885 voyageurs en moyenne chaque jour ouvrable, 4 285 le samedi et 2 309 le dimanche, ce qui en fait, de loin, la ligne la moins fréquentée du réseau. En 2003, le trafic annuel diminue légèrement pour atteindre 1 680 539 voyageurs, avec un trafic quotidien de 5 674 voyageurs en moyenne chaque jour ouvrable, 3 629 le samedi et 2 090 le dimanche.