Avec le cadencement et l'arrivée des TGV depuis le 4 juillet 2009 sur la ligne Cherbourg - Caen - Roissy-Charles-de-Gaulle, le trafic est désormais plus dense. Des travaux d'aménagement sont en cours entre 2008 et 2012 pour mettre de nouvelles portions de la ligne aptes à la vitesse limite de 200 km/h (V200) pour les trains classiques et de 220 km/h (V220) pour les TGV. Cette possibilité, qui n'est pas utilisée systématiquement (le matériel roulant n'y étant pas toujours apte), est offerte avec la rénovation en cours des voitures des trains Intercités Normandie. La circulation à 200 km/h permet dans le meilleur des cas un gain d'environ 20 minutes pour ces trains, les rames V200 étant tractées par des BB 26000 Sybic.
Le projet de deux rapides quotidiens, ne s'arrêtant qu'à Caen entre Cherbourg et Paris, prévu en décembre 2008 pour une liaison de 2 heures 46 au lieu de 3 heures, a été abandonné face aux protestations des élus de Valognes et Carentan.
La ligne est à double voie sur la plus grande partie du parcours, avec plusieurs tronçons à trois ou quatre voies :
La ligne est électrifiée comme tout le réseau Saint-Lazare en 25 kV-50 Hz monophasé, équipée du block automatique lumineux.
Il existe actuellement trois sections aptes à la circulation à 200 km/h pour les trains « Corail » et 220 km/h pour les TGV:
Les BB 26000 sont uniquement utilisées prioritairement sur les trains Paris - Cherbourg sans arrêt entre Paris et Caen, même si en pratique ce n'est pas toujours le cas. La ligne est équipée du Contrôle de vitesse par balises (KVB) et d'une liaison radio sol-train sans transmission de données, avec identification sur une partie du tracé. Les sections de Lisieux (PK 189,450) au Mesnil-Mauger (PK 208,685) et de Caen (PK 238,300) à Carentan (PK 313,109) et de Valognes (PK 342,617) à Couville (PK 358,971) sont en travaux pour qu'elles soient aptes au régime de vitesse V200-V220.
La ligne Paris - Cherbourg possèdent peu d'ouvrages d'art :