La ligne a longtemps été le terrain des mythiques Pacific Ouest dont certaines étaient autorisées à 130 km/h. Les performances de ces locomotives à vapeur étaient loin d'être ridicules. Par exemple, en 1962 le train rapide de 1re classe avec supplément mettait 2 h 26 pour rallier Paris-Saint-Lazare au Havre, performance permise par la prise d'eau en marche par écope dans un bac longitudinal entre les rails, et un unique arrêt intermédiaire à Rouen - Rive Droite. Après l'électrification, en 1966, les temps de parcours se raccourcissent. Par exemple, en 1975, les trains rapides de 1re classe avec supplément La Mouette, La Frégate et L'Albatros, avec un seul arrêt intermédiaire à Rouen-Rive-Droite, couvraient le trajet en 1 h 45 seulement. Jusqu'en 1974, elle a vu circuler le mythique New York-Express, le train-paquebot de la Compagnie Générale Transatlantique (French Line) qui assurait la correspondance, en gare maritime du Havre, avec le France.
En 2007, les temps de parcours s'échelonnent de 2 h à 2 h 04, tous les trains ayant un ou plusieurs arrêts intermédiaires. De ce fait, actuellement, il n'y a plus de train assurant le trajet en 1 h 45. Actuellement, ce temps de parcours serait difficile à garantir car depuis lors, le trafic de la grande couronne parisienne s'est accru et la ligne, qui accueille un fort trafic fret, est constamment au bord de la saturation. Le schéma directeur des lignes nouvelles de 1991 prévoyait une LGV Normandie. Aujourd'hui, ce projet n'est plus inscrit dans les plans de développement du ministère de tutelle, ce qui laisse peu de perspective d'amélioration à court terme sur cette ligne sauf au niveau de la fiabilité du matériel : l'ouverture du TGV Est Européen a libéré des BB 15000 qui étaient affectées aux liaisons rapides entre Paris-Est et l'Est de la France. Ces locomotives plus récentes remplacent petit à petit les vaillantes BB 16000 affectées à la ligne depuis son électrification. Pour faire face à la saturation de la ligne, particulièrement entre Poissy et Mantes-la-Jolie où les trains rapides sont souvent retardés par les trains de banlieue Transilien J, les régions Basse-Normandie et Haute-Normandie vont participer financièrement à l'aménagement de ce tronçon bien qu'il soit situé en Île-de-France.
Le projet de liaison rapide Normandie-Val de Seine a pour objectifs l'amélioration de la ligne Paris - Le Havre, puis à terme la création d'une liaison directe entre la Normandie et l'aéroport Charles-de-Gaulle. Elle emprunterait la ligne du RER E prolongée à l'ouest, puis les voies dédiées au CDG Express. Ce projet fait suite à l'abandon du projet de LGV Normandie en 2001. Depuis l'annonce du Président de la République française, Nicolas Sarkozy, en juin 2009, le projet de la LGV Normandie est réactivé et intégré dans le projet du Grenelle Environnement mais le projet de la liaison Normandie-Val de Seine reste toujours d'actualité avec quelques modifications de projet.
La LGV Normandie est un projet de ligne à grande vitesse, proposé au schéma directeur des liaisons à grande vitesse de 1991, reliant essentiellement Paris à la Normandie. Elle est de nouveau un sujet d'actualité suite au projet du Grenelle Environnement qui a été réactivé en particulier par le Conseil régional de Basse-Normandie et les conseils municipaux de Cherbourg-Octeville et de Caen. Le président de la République française, Nicolas Sarkozy, a donné son feu vert au début du mois de juin 2009 pour l'étude de la construction de la LGV Normandie entre Paris et Le Havre et entre Paris et Cherbourg raccourci jusqu'à Caen dans un premier temps.