La ligne se débranche de la ligne Paris - Lille à la limite de Paris et Saint-Ouen. Elle se dirige ensuite en direction de l'ouest, où la rejoint la liaison Vallée de Montmorency - Invalides, puis au nord-ouest jusqu'à Ermont - Eaubonne qu'elle atteint après la traversée de la banlieue nord de la capitale. Elle se joint, dans cette gare, à la ligne Paris - Pontoise sur le réseau Nord.
La ligne est électrifiée, comme tout le réseau Nord, en 25 kV-50 Hz monophasé par la sous-station de Saint-Denis - La Briche, et télécommandée par le central sous-station de Paris-Nord.
Elle est entièrement équipée du block automatique lumineux, du contrôle de vitesse par balises (KVB) et d'une liaison radio sol-train de Paris à Ermont - Eaubonne.
La ligne dite des Docks, aussi désignée chemin de fer de Saint-Ouen ou des Docks ou encore raccordement des Épinettes, n'est pas une ligne de chemin de fer au sens strict. Il s'agit d'un embranchement ferroviaire de deux kilomètres créé en 1862 sous l'égide de la Société anonyme du Chemin de fer de Saint-Ouen et rattaché à la ligne de Petite Ceinture au niveau du garage des Épinettes (future station avenue de Saint-Ouen sur la ligne précitée).
Le raccordement des Épinettes constituait la ligne no 961300 du réseau ferré national.
La ligne La Plaine - Ermont-Eaubonne dite ligne des Grésillons est ainsi dénommée pour la distinguer de la liaison de Paris vers Ermont-Eaubonne via Saint-Denis. De plus, il ne faut pas confondre la ligne des Grésillons et le chemin de fer industriel des Grésillons, voie de desserte industrielle qui s'embranche sur la première.
La Compagnie des chemins de fer du Nord reçoit la concession éventuelle d'une ligne de Saint-Ouen-les-Docks à Ermont-Eaubonne par la convention du 3 juin 1901, approuvée par la loi du 20 juillet 1901. La ligne comporte un raccordement, vers la ligne de Grande Ceinture à Épinay-sur-Seine. La concession devient définitive avec la déclaration d'utilité publique, prononcée par décret le 9 janvier 1904. Un raccordement vers Sannois sur la ligne Paris-Saint-Lazare - Ermont-Eaubonne est ajouté à partir de Saint-Gratien.
La ligne Ermont-Eaubonne - Plaine - Gare du Nord via Gennevilliers est mise en chantier en 1905 et inaugurée avec ses deux raccordements le 1er juillet 1908. Un grand soin est apporté à l'édification des bâtiments voyageurs, largement dimensionnés et à l'architecture élégante.
Au-delà de la proche banlieue, la ligne traverse des zones relativement peu denses, et le trafic voyageurs reste en conséquence modéré. La desserte, irrégulière, comporte des intervalles de trente minutes à deux heures en journée et est assurée par des locomotives de type 222 T ou 232 T tractant des voitures ordinaires ou articulées pour trains-tramways. Les rames effectuent au nord la boucle terminale via le raccordement de Saint-Gratien, leur évitant un retournement en gare d'Ermont - Eaubonne avec remise en tête de la machine. L'utilisation de ce raccordement cesse aux alentours de 1925. La desserte du pont de Saint-Ouen par trains-tramways, devenue très réduite, est supprimée au service d'hiver 1935/1936.
Durant les années 1930, la ligne est équipée du matériel classique du réseau Nord, constitué de voitures métalliques. Si le trafic voyageurs reste assez marginal, le trafic de marchandises en revanche est important, favorisé par un jeu astucieux de raccordement, liant la ligne à tous les réseaux via la ligne de Grande Ceinture.
Après la Seconde Guerre mondiale, la ligne constitue un ultime vestige des trains-tramways du Nord et dessert la gare de La Plaine-Tramways, ancien nœud actif de correspondances devenu au fil du temps une gare quasi-déserte, perdue au milieu des nombreux faisceaux de voies de La Chapelle. Le service n'a connu aucune évolution significative contrairement aux lignes proches. Les voitures de type Nord ont laissé place à des voitures métalliques réversibles Talbot Ouest circulant en réversibilité vapeur. La desserte demeure peu attractive, conséquence d'une politique de stricte économie réduisant l'entretien au minimum et négligeant tout investissement.
Lors de l'électrification du réseau Nord, achevée par la ligne Ermont - Valmondois en décembre 1970, la ligne des Docks reste en marge, mais voit toutefois la traction vapeur également disparaître, mais au profit de la traction thermique. Durant les années 1970 et 1980, la ligne reste toujours très en retrait par rapport aux autres lignes de banlieue voisines. Sa desserte est restée particulièrement médiocre. Son matériel, toujours constitué de rames Talbot, tractées en diesel par des BB 66000 ou BB 66400 mais chauffées à la vapeur en hiver par des fourgons-chaudières, est également dépassé. En heures creuses, un autorail de type X 4500 assure la desserte. L'équipement de la ligne est également désuet, avec la survivance du block Lartigue Nord avec ses sémaphores caractéristiques. Peu attractive, elle est particulièrement peu fréquentée.
La ligne subit paradoxalement son intégration au SDAU de 1965, conçu sous l'autorité de Paul Delouvrier, qui prévoit son intégration à la grande transversale Nord-Sud du RER, la SNCF restant sur une certaine position d'attentisme. Bien que ce projet ambitieux soit rapidement ajourné, il est toutefois décidé, en 1972, d'effectuer un minimum de travaux de modernisation sur la ligne. Une gare nouvelle est créée à Saint-Ouen, terminus partiel donnant correspondance à la ligne 13 du métro à Garibaldi.
Faute de place, la ligne étant coincée entre plusieurs usines, et vu l'intention de limiter au minimum les investissements nécessaires, le quai est établi à l'emplacement d'une des deux voies de circulation. Cet état de fait impose au trafic fret des sillons limités, les trains de marchandises ne pouvant franchir cet arrêt qu'en l'absence d'un train de voyageurs, dont certains y effectuent leur retournement. La nouvelle gare est ouverte le 28 mai 1972 et devient le terminus de dix aller-retours quotidiens, ajoutés à la trame existante.
Le trafic ne connaît pas d'augmentation significative ; la correspondance s'avère en effet assez longue par la voie publique, en l'absence de couloir aménagé, et cet aménagement des horaires reste loin d'un véritable cadencement comparable aux autres lignes de proche banlieue. Toutefois, le block automatique lumineux est installé en parallèle de La Plaine à Gennevilliers, amorce d'une future modernisation de la ligne.
À partir du 25 septembre 1977, les trains restent limités au parcours Saint-Ouen-Garibaldi — Ermont - Eaubonne, en raison du démarrage des grands travaux en avant-gare du Nord, en vue de la création de la gare souterraine du futur RER et de l'interconnexion Nord-Sud. Les gares de La Plaine-Tramways et du Pont-Marcadet ferment définitivement leurs portes.
La transversale Nord-Sud Saint-Lazare - Montparnasse du RER prévue au SDAU de 1965 est abandonnée au vu de son coût, et la desserte de Cergy est finalement assurée par un débranchement de la banlieue Saint-Lazare. La vallée de Montmorency, zone urbanisée de 250 000 habitants au nord de Paris, reste par conséquent sans desserte performante de type RER. Trois dessertes sont ainsi étudiées au milieu des années 1970 :
Les difficultés d'insertion d'une nouvelle desserte dans la trame saturée de la banlieue Saint-Lazare fait privilégier la troisième solution.
Le projet VMI est mis au point par la SNCF au début de 1977. La nouvelle liaison projetée intègre l'essentiel de la ligne Ermont - Saint-Ouen-les-Docks au nord et de la ligne d'Auteuil au sud. Elle utilise essentiellement des lignes existantes à moderniser, avec la construction d'un nouveau raccordement aux Épinettes, seule section nouvelle, qui permet de relier la Petite Ceinture à la ligne des Docks.
Après une multitude d'entraves qui provoquent un important retard, la nouvelle liaison Vallée de Montmorency - Invalides, nouvelle branche nord-ouest du RER C, est enfin mise en service pour le service d'hiver le 25 septembre 1988. Elle dessert la banlieue nord-ouest, à l'époque en direction de Montigny - Beauchamp et Argenteuil.