La ligne, entièrement à double voie, se dirige vers le nord-ouest, et traverse par deux fois la Seine, à Asnières-sur-Seine puis Argenteuil. Elle longe ensuite la rive droite de la Seine en direction de l'ouest, de Cormeilles-en-Parisis à Limay, avant de traverser une nouvelle fois le fleuve et rejoindre la ligne Paris - Le Havre, peu avant la gare de Mantes-Station.
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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.
La ligne est exploitée actuellement par la SNCF sous le label Transilien.
Deux principaux types de matériels voyageurs y circulent : des rames composées de voitures de banlieue à deux niveaux (VB 2N) ou de rames inox de banlieue (RIB), tractées par des locomotives BB 27300.
La ligne est ouverte jusqu'à Argenteuil le 28 avril 1851, puis prolongée jusqu'à Mantes-la-Jolie par la rive droite de la Seine le 1er juin 1892.
Le 27 mars 1967, la ligne est mise sous tension en courant alternatif 25 kV. Cette électrification par caténaire s'accompagne de modifications connexes, comme la création d'une troisième voie en gare de Cormeilles-en-Parisis et de Conflans-Sainte-Honorine, utilisées comme terminus de zone.