La ligne trouve son origine à la Gare de Paris-Saint-Lazare. Elle se dirige vers le nord-ouest en desservant au passage les gares de Pont-Cardinet (Paris XVIIe) et Clichy - Levallois, avant d'atteindre Asnières. Le tracé oblique vers le sud-ouest et dessert les gares de La Garenne-Colombes puis Nanterre - Université, terminus de la ligne depuis 1972. La ligne historique, dont le tronçon terminal a été incorporé au RER A en 1972, continuait vers Nanterre - Ville, Rueil-Malmaison puis Le Pecq. Ce tracé est prolongé en 1847 jusqu'à Saint-Germain-en-Laye.
La ligne recoupe les méandres de la Seine et traverse trois fois le fleuve à Asnières, Chatou et au Pecq. Son profil est relativement plat, sauf dans la partie terminale entre le Pecq et Saint-Germain-en-Laye, en rampe marquée sur deux kilomètres. Sur ce dernier tronçon, elle comporte un souterrain qui lui permet de franchir la terrasse du château.
Les quatre principaux ouvrages d'art de la ligne sont constitués par le pont ferroviaire d'Asnières, le viaduc de Chatou, le viaduc ferroviaire du Pecq et le tunnel de Saint-Germain-en-Laye.
De Paris à Nanterre - Université, la ligne est électrifiée comme tout le réseau Saint-Lazare en 25 kV-50 Hz monophasé, équipée du block automatique lumineux (BAL), du contrôle de vitesse par balises (KVB) et d'une liaison radio sol-train sans transmission de données avec identification.
De Nanterre - Université à Saint-Germain-en-Laye, la ligne est électrifiée comme tout le réseau RER RATP en 1500 V continu.