Cette ligne est ouverte de Montereau à Troyes (100 km) le 10 avril 1848, par la Compagnie du chemin de fer de Montereau à Troyes. Elle est reprise par la Compagnie des chemins de fer de l'Est le 17 septembre 1853, étant précisé que :
Originellement construite à double voie, elle en perd une assez rapidement faute d'un trafic suffisant, avant de perdre également son trafic de voyageurs en 1939.
Durant la Seconde Guerre mondiale, les Allemands l'utilisent pour y faire passer des trains SF (Soldatenfernschellzug) Hendaye - Bar-le-Duc. Après la guerre, en attendant la reconstruction du viaduc de Nogent-sur-Marne, elle sert aussi pour les trains Paris-Est - Troyes.
Un raccordement de service (raccordement nord de Montereau) existe depuis 1983 avec la LGV Sud-Est au départ de Montereau ; il est utilisé sur quelques kilomètres pour desservir une zone industrielle. Un deuxième raccordement donnant accès à la LGV côté sud a été mis en service plus récemment (raccordement sud de Montereau).
Un tronçon de huit kilomètres supplémentaires depuis Montereau est réouvert le 16 octobre 2008 afin de desservir un embranchement (ITE Cemex), limitant ainsi les rotations de poids lourds.
Dans l'optique d'une remise en service de cet axe en intégralité pour les trains de marchandises, Réseau ferré de France a réalisé durant l'été 2010 un renouvellement voie-ballast (RVB), nécessaire pour supporter les charges importantes de ce type de rames.
La ligne comporte quatre gares :
et deux haltes :
Les bâtiments des gares de Châtenay-sur-Seine et des Ormes-sur-Voulzie ont été détruits ; ceux des haltes de Vimpelles et de Noslong-Marolles vendus à des particuliers.
La gare des marchandises de Vimpelles |
La ligne Flamboin - Montereau s’étend du point kilométrique (PK) 94,456 (bifurcation de Flamboin-Gouaix sur la ligne Paris-Est - Mulhouse-Ville) au PK 122,677 (Montereau, sur la ligne Paris-Lyon - Marseille-Saint-Charles), l'origine du chaînage étant à la gare de Paris-Est.
Établie dans la vallée très évasée de la Seine, puis de son affluent la Voulzie, elle possède un excellent tracé, avec de longues lignes droites et un profil quasiment plat. Les rampes ne dépassent pas 3 ‰, ce qui présente un avantage indéniable pour le trafic de marchandises.
Depuis la gare de Flamboin-Gouaix, la ligne se dirige vers l'ouest et franchit la Voulzie. Elle longe ensuite l'Auxence avant de rejoindre la vallée de la Seine aux abords de Vimpelles. Elle traverse ensuite la Vieille Seine sur un ouvrage de 105 m avant de passer au-dessus de l'autoroute A5 et de la LGV Sud-Est par un pont de 104 m. Passé le double raccordement avec la LGV et une zone industrielle raccordée, elle franchit l'Yonne sur le « pont de Moscou » avant de pénétrer en gare de Montereau.
À Vimpelles, elle croisait à niveau la ligne à voie métrique de la Société générale des chemins de fer économiques de Jouy-le-Châtel à Bray-sur-Seine, mise en service en 1904 et fermée en 1950.
Le parcours est ponctué de vingt-quatre passages à niveau.