Les gares de la ligne sont caractéristiques des bâtiments voyageurs de lignes secondaires de la Compagnie du Nord. Cependant, les gares de Saint-Leu-la-Forêt et de Taverny se distinguent par leurs bâtiments voyageurs de style régionaliste, datant des années 1920.
La gare de Taverny est embellie par la municipalité en 1923, pour un montant de 148 750 francs. L'ancien bâtiment datant de la construction de la ligne un demi-siècle plus tôt est rehaussé, et orné d'un clocheton à horloge, dans un style normand à faux colombages. La même opération se déroule dans la commune voisine de Saint-Leu-la-Forêt.
La ligne Paris - Lille est ouverte le 20 juin 1846 par la Compagnie des chemins de fer du Nord. Cette ligne passe alors par la vallée de Montmorency avant de bifurquer vers le Nord-Est à Saint-Ouen-l'Aumône et de suivre la vallée de l'Oise. L'itinéraire actuel plus direct par la plaine de France et Chantilly n'a été mis en service qu'en 1859, n'accordant plus dès lors qu'un rôle de desserte secondaire à cet ancien itinéraire.
La jonction Ermont - Valmondois via Saint-Leu-la-Forêt est concédée à la Compagnie du Nord par adjudication le 4 juin 1872. Elle est ouverte, d'abord à voie unique, le 26 août 1876 au public et à la « grande vitesse », puis le 2 novembre de la même année à la « petite vitesse ». La ligne d'intérêt local est incorporée au réseau d'intérêt général par la loi du 20 novembre 1883. La ligne est desservie quotidiennement par onze trains de voyageurs et deux de marchandises dans chaque sens. Une correspondance à Ermont - Eaubonne est obligatoire pour se rendre à Paris.
Mais vu le succès du chemin de fer, il devient rapidement nécessaire d'augmenter la capacité de la ligne : la mise à double voie est inaugurée le 24 mai 1889. À cette occasion, le block-system est généralisé de même que sont diminuées les longueurs des sections de block. Le nombre de circulations quotidiennes passe à vingt trains dans chaque sens, dont deux de marchandises. Le 29 septembre 1895, la municipalité de Taverny demande à la Compagnie du Nord d'aménager le simple point d'arrêt de Vaucelles en « halte classée avec bâtiment couvert servant de gare », ce qui est réalisé.
Durant les années 1920, le réseau de la banlieue nord souffre de plusieurs défauts qui rendent la desserte insuffisante. Alors que le réseau Ouest connaît une importante modernisation avec l'électrification partielle, la mise en place d'automotrices modernes ainsi que d'un service à horaires cadencés, le réseau Nord reste peu adapté à une desserte de type banlieue. La traction vapeur est maintenue, les gares sont trop espacées, les terminus intermédiaires sont trop peu capacitaires, le nombre de voies de réception à la gare du Nord est insuffisant et la ligne ne possède que deux voies de Paris à Ermont, ce qui rend difficile la cohabitation d'une desserte directe avec une desserte omnibus. Une première amélioration est néanmoins mise en place avec la mise en service de rames réversibles et de locomotives à vapeur plus puissantes possédant de meilleures accélérations.
Sur le réseau Nord, l'électrification arrive sur la ligne Paris - Lille via Creil le 9 décembre 1958 puis sur la lignes Paris - Bruxelles via Compiègne et Paris - Mitry - Crépy-en-Valois en 1963. La modernisation de l'itinéraire Paris-Nord - Pontoise est alors lancée avec pour but d'améliorer les performances de cette ligne dont la fréquentation est en hausse constante avec l'urbanisation croissante de la banlieue nord et de faire disparaître les locomotives à vapeur 141 TC tractant les robustes mais spartiates voitures de type Nord à la fin de 1970. En avril/mai 1969, la traction électrique est en service sur Paris - Pontoise et Pontoise - Creil et s'accompagne de la signalisation par block automatique lumineux. Puis finalement, c'est au tour de l'antenne Ermont - Eaubonne - Valmondois le 8 décembre 1970, électrification inaugurée le 11 du même mois par la BB 16021. Cette électrification, la dernière réalisée en banlieue nord, fait définitivement disparaître la traction vapeur de la gare du Nord.