Au sud de la gare Corbeil-Essonnes, les lignes de Montargis et de Montereau se séparent, chacune prenant apparemment la direction opposée à celle qui devrait être la sienne et passant sous le très haut pont en maçonnerie supportant la route nationale 7. La ligne de Montargis oblique en montant vers la gauche tandis que celle de Montereau part en descendant vers la droite.
Immédiatement après, la ligne CMM dessert l'arrêt urbain d'Essonnes - Robinson. Elle traverse ensuite, sur un remblai longeant de loin l'Essonne, des quartiers résidentiels du sud de Corbeil, Essonnes et Robinson. Après la gare de Villabé, elle passe en tranchée puis traverse la vallée de l'Essonne par deux ponts successifs, passe à angle droit sous la ligne Villeneuve-Saint-Georges - Montargis et pénètre dans le tunnel de l'Essonne qui lui permet de rejoindre la vallée de la Seine.
Désormais, la ligne s'accrochera au flanc escarpé du côteau de la rive gauche de la Seine selon un tracé très sinueux suivant les méandres du fleuve jusqu'aux abords de Melun, offrant le plus souvent comme paysage une magnifique vue sur la Seine et ses écluses d'un côté et un mur de soutènement de l'autre. Elle dessert les gares du Plessis-Chenet et du Coudray-Montceaux.
Le paysage s'adoucit au niveau de la gare de Saint-Fargeau, desservant un quartier résidentiel. Il s'adoucit encore, tout en s'urbanisant également, aux abords de la gare de Ponthierry - Pringy et jusqu'à celle de Boissise-le-Roi. Après, la ligne renoue avec un coteau escarpé, trouvant à peine la place de loger la gare de Vosves.
Puis, à l'approche de Melun, la vallée de la Seine se fait plus large et la ligne, établie en remblai ou à niveau, traverse sans la desservir la commune de Dammarie-lès-Lys.
Finalement, par un remblai en courbe, elle rejoint la ligne classique Paris - Marseille et entre en gare de Melun.
La ligne, réalisée dans le cadre du plan Freycinet, a été mise en service le 1er juin 1897 et inaugurée le 27 juin 1897.
Cette ligne, qualifiée à l'époque de « stratégique ou complémentaire », était destinée à renforcer la desserte de la « Grande ligne Paris-Lyon » passant par Fontainebleau. Déjà à cette époque, la « Grande Ligne » faisait face à un trafic très chargé ; la ligne CMM devait décongestionner la « Grande Ligne » et proposer un itinéraire de contournement en cas d'interruptions accidentelles.
L'arrivée de la ligne à Melun entraina un profond remaniement de cette gare et la construction ou la modification de nombreux ouvrages d'art dont le pont sur l'avenue Thiers à l'entrée ouest de la gare sur lequel passaient déjà les voies de la ligne Paris-Lyon.
Le franchissement de la Seine au sud-est de la ville de Melun fut rendu possible par la création d'un pont métallique d'une longueur initiale de 147,24 mètres. Ce pont, appelé « le Pont du Pêt-au-Diable » (littérallement la Pierre du Diable), fut détruit par l'armée française le 15 juin 1940 et reconstruit quelques mois plus tard. Le pont fut la cible des bombardements alliés au primptemps 1944, les Allemands le firent finalement sauté le 18 août 1944. Les travaux de reconstruction débutèrent à la fin de la guerre et le pont fût rouvert à la circulation le 1er février 1946.
À l’ouverture de la ligne en 1997, treize nouvelles gares furent créées en plus des gares préexistantes de Corbeil, Melun et Montereau :
Trois gares furent ouvertes par la suite au cours de la deuxième moitié du XXe siècle :