En 1842, l'Étoile de Legrand prévoit une ligne de chemin de fer devant relier Paris à la frontière d'Allemagne par Nancy et Strasbourg. Cette ligne est concédée à une Compagnie du chemin de fer de Paris à Strasbourg, qui en assure la construction, ainsi que celle de deux antennes, l'une d'Épernay à Reims, l'autre de Frouard (près de Nancy) vers Metz.
Vu l'ampleur de la tâche, les travaux se font par étapes, et les mises en service sont échelonnées de 1849 à 1852.
Dès 1853, suivant la volonté de l'empereur Napoléon III qui souhaite regrouper les nombreuses compagnies de chemin de fer existantes, la Compagnie de Paris à Strasbourg fusionne avec d'autres d'importance un peu moindre, comme la Compagnie du chemin de fer de Montereau à Troyes ou en 1854 avec le Strasbourg - Bâle, pour former la Compagnie des chemins de fer de l'Est.
La guerre franco-prussienne, achevée en 1871 sur une lourde défaite française, conduit à la cession de l'Alsace et de la Moselle. La partie correspondante de la ligne, ainsi qu'une partie du réseau de la Compagnie de l'Est, passe alors sous contrôle germanique dans le cadre d'une administration spécifique, la Kaiserliche Generaldirektion der Eisenbahnen in Elsass-Lothringen (Direction générale impériale des chemins de fer en Alsace-Lorraine, abrégé en Elsass-Lothringen, EL), qui impose ses standards techniques, dont la circulation à droite. Une gare frontière allemande est construite à Avricourt aux frais de la France. Elle est achevée en 1875.
Après la victoire française en 1918, la section Avricourt - Strasbourg de la ligne est gérée par le réseau ferroviaire d'Alsace-Lorraine (abrégé en Alsace-Lorraine, AL) ; la circulation à droite est maintenue.
Entre Toul et Frouard (au nord-ouest de Nancy), la ligne est en tronc commun avec le trafic nord-sud de l'axe Luxembourg - Thionville - Dijon, composé en grande partie de fret en transit et de TER Lorraine au départ de Nancy, mais aussi de Corail (et d'un TGV) de Metz vers Lyon et le sud de la France.
Entre Strasbourg et Réding (3 km à l'est de Sarrebourg), la ligne est en tronc commun avec le trafic de l'axe Strasbourg-Metz ; elle voit également passer les TGV issus de la LGV Est européenne.
La ligne débute en gare de Paris-Est. Elle rejoint la Marne à Chelles - Gournay puis traverse ensuite Vaires - Torcy où s'embranche sur la gauche, la nouvelle ligne à grande vitesse vers Strasbourg. Elle ne quittera plus la vallée de la Marne (jusqu'à Vitry-le-François) en traversant un paysage typique de large vallée encadrée de collines plantées de vignes. À Épernay, elle laisse sur la gauche la ligne à voie unique Épernay - Reims et aborde une zone plus plate pour desservir Châlons-en-Champagne où aboutit la liaison transversale Amiens - Châlons. Continuant en ligne droite à travers une plaine très pauvre, elle traverse Vitry-le-François. Peu après, à Blesmes - Haussignémont, elle laisse sur la droite une ligne transversale vers Chaumont et remonte vers Bar-le-Duc. À partir de cette gare, le paysage change sensiblement pour devenir accidenté à la traversée des côtes de Meuse.
Elle quitte alors le bassin de la Seine pour entrer dans celui du Rhin et arrive à Lérouville, importante gare de bifurcation vers Metz et Sarrebruck. La ligne dessert ensuite Commercy puis Toul, origine de la transversale Toul - Culmont-Chalindrey - Dijon. Un trajet très pittoresque le long de la Moselle mène à Frouard où se détache sur la gauche la ligne Frouard - Novéant vers Metz et Thionville, puis arrive à Nancy, importante métropole régionale.
Après Nancy, la ligne traverse une région industrielle en longeant la vallée de la Meurthe pour arriver à Blainville, origine d'un embranchement vers Lure. Elle traverse ensuite une région boisée pour arriver à Sarrebourg et laisse à gauche une transversale vers Metz. Elle entre maintenant en Alsace et, par un profil tourmenté au pied du massif vosgien, parvient à Saverne après une succession de tunnels au travers de collines plantées de sapins. Le relief s'atténue et, après avoir traversé la plaine d'Alsace, elle arrive à Strasbourg, capitale régionale et siège d'institutions européennes.
La ligne Paris-Strasbourg est intégralement à double voie avec des sections à voies multiples :
La plate-forme est dimensionnée pour 4 voies de Vitry-le-François à Lérouville et de Blainville à Sarrebourg.
Son profil est excellent sur la majeure partie de la ligne ou les déclivités ne dépassent pas 6 mm/m sauf sur le parcours Bar-le-Duc - Lérouville où elles atteignent 8 mm/m. Le rayon des courbes permet des vitesses de 150/160 km/h sauf lors de la traversée des contreforts Vosgiens vers la trouée de Saverne où la vitesse maximum s'abaisse à 120/130 km/h.
Elle comporte 12 tunnels dont la longueur cumulée est de 8 455 m soit 1,7 % du parcours.
Le tunnel de Chalifert (168 m), situé entre les gares de Lagny et d'Esbly, a été abandonné en raison de son mauvais état. Une déviation de 2 423 m a été construite en 1985 avec un nouveau tunnel légèrement plus long (181 m). L'ancienne plate-forme est conservée dans l'hypothèse d'une future mise à 4 voies du tronçon Lagny-Meaux, ce qui nécessitera la réfection complète de l'ancien tunnel qui n'était pas réalisable sans arrêter complètement les circulations pour une longue durée.
Le tunnel d'Arzwiller (2 690 m) présente la particularité de croiser le tunnel du canal de la Marne au Rhin.
Le tunnel d'Hofmulh (248 m) est constitué de deux galeries à voie unique.
La ligne comporte de nombreux ponts sur rivière mais pas de viaducs de grandes dimensions. Le viaduc sur la Zorn, à proximité d'Arzwiller, a une longueur de 91 m.
Un saut-de-mouton de changement de sens de circulation est situé au km 426,629 peu avant Sarrebourg. Il permet de passer de la circulation à gauche à la circulation à droite comme c'est la règle pour l'ensemble du réseau ex Alsace-Lorraine.
Dans la foulée des opérations d'électrification de la transversale Nord-Est, la ligne Paris - Strasbourg bénéficie du même sort dans les années 1960, avec l'équipement en 25 kV - 50 Hz monophasé.
Dates de mise sous tension :
L'alimentation électrique est assurée par 11 sous-stations 25 kV-50 Hz :