La ligne se dirige vers le nord-ouest à travers le Vexin français, plateau coupé de vallées aux versants argileux et aux fonds tourbeux, en remontant la vallée de la Viosne, depuis son confluent avec l'Oise à Pontoise, puis franchit le relief séparant les bassins de l'Oise et de l'Epte. Elle longe alors le cours de la Troesne et atteint Gisors-Embranchement.
Elle remonte le cours de l'Epte, aux confins de la Normandie et de la Picardie. La ligne traverse alors le pays de Bray où elle dessert Gournay-en-Bray, Forges-les-Eaux puis Neufchâtel-en-Bray, et longe la Béthune et atteint Dieppe, sur les rivages de la Manche.
Voir le schéma détaillé de la ligne dans l'imageDroite
La ligne est électrifiée jusqu'à Gisors comme tout le réseau Saint-Lazare en 25 kV-50 Hz monophasé, équipée du block automatique à permissivité restreinte, du contrôle de vitesse par balises (KVB) et d'une liaison radio sol-train sans transmission de données jusqu'à Boissy-l'Aillerie. De Gisors à Serqueux, la ligne n'est pas électrifiée. De Serqueux à Dieppe, la ligne a été déferrée.
Toutefois, le gouvernement a inscrit dans son plan de relance de l'économie de février 2009 trois millions d'euros au titre du financement des travaux de modernisation du tronçon ferroviaire de Gisors à Serqueux, pour un projet évalué à 60 millions d'euros. Outre l'amélioration du service voyageurs, la réalisation des travaux représente un enjeu fort pour la desserte ferroviaire du Port du Havre, en offrant un tracé alternatif vers Paris qui ne passerait ni par Rouen, ni par Mantes (en empruntant le barreau Motteville – Monterolier-Buchy récemment remis en service). L'arrivée en région parisienne se ferait alors par Pontoise, Conflans et Argenteuil et permettrait l'accès, par la ligne de Grande Ceinture, aux plate-formes logistiques du Bourget (au Nord) et de Villeneuve-Valenton (au Sud). Toutefois, à l'été 2010, les travaux n'étaient encore lancés.
La réouverture de la section Serqueux-Dieppe par Neufchâtel-en-Bray est quant à elle au point mort, bien que la fermeture de la ligne ait été jugée illégale, en l'absence d’étude d'impact, par le tribunal administratif de Rouen. La plateforme a laissé la place à un aménagement cyclable, baptisé « avenue verte », inaugurée le 1er juillet 2003. Celle-ci relie alors sur 40 km les communes de Saint-Aubin-le-Cauf, à 5 km de Dieppe, et de Beaubec-la-Rosière à 4 km de Forges-les-Eaux. En 2006, la piste a été prolongée de 5 km jusqu'à Forges-les-Eaux via la gare de Serqueux.
La ligne Pontoise - Dieppe est ouverte de 1868 à 1873. La ligne Paris - Dieppe par Pontoise doit permettre de relier, de façon plus courte que l'itinéraire existant par Rouen, la capitale au premier port de pêche de la côte, point de départ pour l'Angleterre, et station balnéaire de la Manche de plus en plus en vogue. En croisant la ligne Amiens - Rouen dans le pays de Bray, elle permet la création d'une liaison de Paris à Rouen par les plateaux, itinéraire commercial privilégié avant l'ouverture de la ligne Paris - Rouen par la vallée de la Seine en 1843.
La ligne est concédée à la Compagnie des chemins de fer de l'Ouest par décret du 11 juin 1859 ; elle atteint Pontoise le 1er août 1863, en empruntant sur le parcours Argenteuil - Pontoise les voies de la Compagnie du Nord via Ermont.
Le tronçon Pontoise - Gisors est approuvé en 1862. À la demande de l'administration, des terrassements sont immédiatement mis en chantier sur cinq kilomètres aux abords de Gisors, afin de fournir du travail aux ouvriers mis au chômage par la crise cotonnière. En 1864, les travaux sont adjugés et progressivement mis en œuvre au fur et à mesure de l'acquisition des terrains. Elle nécessite l'intervention de trois jurys d'expropriation, dont deux, en 1865, concernant 170 affaires, octroient 380 261,36 francs d'indemnités. Les propriétaires réclamaient un total de 1 018 981,61 francs alors que la compagnie n'offrait que 201 173,40 francs.
La réalisation des travaux rencontre des difficultés : le fond tourbeux de la vallée de la Viosne rend difficile la stabilisation des remblais ainsi que les fondations des ouvrages d'art. Les coteaux argileux dominant la Troesne, où une tranchée ouverte est prévue, posent également problème : sur cinq cents mètres, le tracé est finalement dévié devant l'inefficacité des travaux de dessèchement et de consolidation. L'arrivée sur le plateau de la Folie, à l'est de Gisors, nécessite la réalisation de plusieurs ponts, dont les fondations reposent sur pilotis. Trois cents arbres de treize mètres de long sont enfoncés à l'aide d'une machine à vapeur installée au bord de la Troesne. Ces travaux difficiles sont onéreux : jusqu'en décembre 1868, la Compagnie dépense 21,2 millions de francs, dont 6,74 millions pour l'année 1868 où démarre la construction du tronçon suivant de Gisors à Gournay.
La ligne atteint Gisors le 4 octobre 1868. Les omnibus nécessitent 2 h 30 pour relier Paris. Une halte est par ailleurs prévue à Trie-Château, pour le service des voyageurs uniquement.
Le tracé du tronçon Gisors - Gournay est approuvé par l'administration le 5 novembre 1866. La ligne se poursuit au nord en remontant la vallée de l'Epte ; elle dessert les localités d'Éragny et de Sérifontaine au service des usines et fours à chaux, avant d'atteindre Gournay. Les travaux portent essentiellement sur d'importants terrassements. Le tronçon est ouvert le 18 juillet 1870 : il permet de relier Paris à Gournay en 3 h 15 en moyenne. Les haltes ne sont ouvertes qu'au seul trafic de voyageurs.
La guerre de 1870 compromet toutefois très vite cette exploitation : le trafic banlieue est interrompu suite aux dégâts occasionnés aux ponts d'Asnières et d'Argenteuil près de Paris ; puis c'est au tour du trafic grandes lignes d'être suspendu, dans un rayon de 80 kilomètres autour de la capitale. Les travaux du tronçon suivant, de Gournay à Neufchâtel-en-Bray, activement menés jusque là, sont à leur tour interrompus du fait des hostilités. Ils reprennent en 1871, et ce nouveau tronçon est ouvert le 20 août 1872. Outre la desserte de ce bourg du pays de Bray, le tronçon permet la jonction avec la ligne transversale Amiens - Rouen à Serqueux, peu après Forges-les-Eaux. La ligne atteint enfin Dieppe le 23 décembre 1873. Les 168 kilomètres du parcours total sont accomplis en 5 h 30 en moyenne.
En 1938, un autorail direct reliait Dieppe à Paris par cette ligne en 1 h 47 (contre environ 2 h 10 en 2009 par l'itinéraire de Rouen).
Pendant des décennies, la ligne voit passer de grands express en correspondance à Dieppe avec le bateau vers la Grande-Bretagne. Toutefois, surtout après 1967 et l'électrification de la ligne Paris - Rouen - Le Havre, ce trafic sera progressivement détourné par Rouen.
Le tronçon de Pontoise à Gisors est électrifié en 1982, eu égard à l'augmentation du trafic en région parisienne. Des autorails express relient alors Paris à Dieppe à raison de deux allers-retours, service étoffé et assuré par trains classiques en été. En outre, un train Un jour à la mer, à tarif préférentiel, est programmé de Paris et Pontoise vers Dieppe les dimanches et fêtes en saison.
En 1988, la ligne est brutalement fermée pour non-rentabilité entre Serqueux et Dieppe, au grand dam de cette dernière ville, qui perd sa ligne la plus courte vers Paris.
La ligne n'est plus desservie au-delà de Serqueux depuis 1988, et au-delà de Gisors depuis le 19 janvier 2009. Malgré l'opposition de la ville de Dieppe et de plusieurs associations, la ligne est déferrée de Serqueux à Arques-la-Bataille depuis le milieu des années 1990. Sa réouverture est régulièrement demandée, à la fois par Dieppe et le pays de Bray, très mal relié avec la capitale.
Le 19 janvier 2009, la circulation des trains a été suspendue du fait de l'état de la voie, faute d'entretien, entre Gisors-Embranchement et Serqueux. L'exploitation commerciale n'étant plus possible étant donné que les trains ne peuvent rouler au-delà de 40 km/h (la vitesse était avant ce jour de 70 km/h pour les seuls autorails). La vitesse limite était à certains endroits de 120 km/h dans les années 1970. Les élus locaux ont d'ores et déjà réagi accusant Réseau ferré de France (RFF) d'avoir laissé la ligne se dégrader en n'effectuant aucun investissement et d'avoir délibérément rendu la ligne non rentable.