La ligne, exploitée actuellement par la SNCF sous le label Transilien, l'est depuis le XIXe siècle en tant que ligne voyageurs de banlieue, sans circulations - en situation normale - de trains de « grandes lignes » et avec un trafic fret disparu à la fin des années 1980. Son profil, en long et en plan, est assez difficile et ne favorise pas, en effet, ces types de circulations. On y trouve des courbes de faible rayon (400 mètres) et des rampes importantes de l'ordre de 15 ‰, en particulier entre Garches et Vaucresson ainsi que dans sa partie terminale pénétrant en forêt de Marly. Ces caractéristiques limitent également la vitesse à 90 km/h, dans le sens normal de circulation.
Les automotrices Z 6400 assurent l'essentiel des dessertes depuis leur introduction sur la ligne au milieu des années 1970.
En 2010, la ligne est desservie à raison d'un train toutes les 7 à 8 minutes en pointe (un sur deux en alternance ayant pour terminus Marly-le-Roi) et un train à la demi-heure hors pointe. Tous les trains sont en provenance ou à destination de Paris-Saint-Lazare. Toutes les circulations sont omnibus sur ce tronçon. Le temps de parcours moyen Saint-Cloud - Saint-Nom-la-Bretèche est de vingt-trois minutes, le minimum étant de vingt-et-une minutes. La ligne est située dans les zones 3 (Garches), 4 (Vaucresson à Marly-le-Roi) et 5 (L'Étang-la-Ville et St-Nom-la-Bretêche) de la carte Orange.
Le nombre de voyageurs quotidiens se situe entre 500 et 15 000 selon les points d'arrêt en 2002. Le plus important est la gare de Saint-Cloud, qui accueille entre 7 500 et 15 000 voyageurs par jour. Les gares de Garches - Marnes-la-Coquette, Vaucresson, La Celle-Saint-Cloud et Marly-le-Roi voient transiter chacune de 2 500 à 7 500 voyageurs quotidiens, les quatre autres du parcours ne voyant transiter que de 500 à 2 500 voyageurs par jour.
Au début des années 1880, un embranchement à la ligne Paris-Saint-Lazare - Versailles-Rive-Droite est mis en chantier par l'État, afin de desservir les coteaux de Garches, Vaucresson, Louveciennes et Marly-le-Roi. La construction ne présente pas de difficultés majeures et s'achève en moins de quatre ans.
La ligne est ouverte jusqu'à L'Étang-la-Ville le 5 mai 1884.
Dès la fin du XIXe siècle, la Compagnie de l'Ouest envisage l'électrification de ses lignes de banlieue. En effet, l'accélération médiocre des locomotives à vapeur ainsi que les inévitables mouvements de locomotives dans les gares terminales, malgré les progrès de l'exploitation, réduisent le débit des lignes. De plus, l'exploitation vapeur de lignes de banlieue au trafic dense amène un déficit croissant. Mais en 1908, la situation financière critique de la Compagnie entraîne son rachat par l'État, qui reprend l'exploitation des lignes le 1er janvier 1909.
L'électrification de la ligne est réalisée progressivement durant les années 1920, avec alimentation en courant continu 650 V par 3e rail. Le tronçon de Paris à Bécon-les-Bruyères est électrifié le 27 avril 1924 ; puis la ligne de Versailles - Rive Droite est mise sous tension le 22 juillet 1928. Enfin, la ligne de Saint-Cloud à Saint-Nom-la-Bretèche est à son tour mise sous tension le 15 mai 1931.
Elle ne connaît pas de modifications connexes d'envergure, hormis la création d'un terminus partiel de « zone » à Garches et la généralisation des quais hauts. Mais elle voit surtout son antique matériel à traction vapeur, très critiqué pour son inconfort, remplacé par les rames « Standard » modernes, qui demeurent emblématiques de la banlieue Saint-Lazare durant plus de cinquante ans.
En octobre 1959, un nouvel arrêt est créé sur la ligne, dénommé La Châtaigneraie-Beauregard, sur la commune de La Celle-Saint-Cloud. Il prend plus tard le nom de cette commune et la gare suivante de Bougival - La Celle-Saint-Cloud devient alors simplement la gare de Bougival. En 1962, le block automatique lumineux est installé de Garches à Saint-Nom-la-Bretèche.
En 1967, la réélectrification de la ligne Paris - Mantes par Conflans entraîne la fin de l'exploitation par troisième rail alimenté en 750 V de Bois-Colombes à Argenteuil. Le groupe II demeure le seul du réseau Saint-Lazare encore électrifié par troisième rail, avec la ligne d'Auteuil (groupe I) et un tronçon du groupe III. Durant les années 1960, la banlieue ouest connaît un important développement démographique provoquant une croissance continue du trafic, la création du quartier de La Défense ne pouvant qu'accélérer ce mouvement. Pourtant, la desserte par des rames standard en fin de vie, alimentées par troisième rail, ne permet pas de proposer une amélioration conséquente de la desserte par zone. De plus, le remplacement du troisième rail, proche de sa limite d'usure, et la rénovation des sous-stations électriques, elles aussi arrivées à leur limite d'âge, entraîneraient des coûts très élevés, hors de proportion avec l'amélioration à prévoir par cette modernisation. Il est donc préféré une réélectrification en 25 000 volts par caténaire de la ligne de Versailles et de son antenne de Saint-Nom, à l'image de la conversion progressive à cette tension des autres groupes du réseau.
Les travaux de réélectrification imposent de nombreuses modifications de la ligne : abaissement de la plate-forme dans les tunnels et adaptation voire reconstruction de plusieurs ponts routiers pour dégager le gabarit électrification, aménagement du plan des voies afin d'améliorer les vitesses limites et l'exploitation, etc. Le tronçon de Saint-Cloud à Garches - Marnes-la-Coquette est mis sous tension le 15 septembre 1977, puis le tronçon Garches à Saint-Nom-la-Bretèche le 16 septembre 1978.
Lors de la mise au point du projet EOLE à la fin des années 1980, actuelle ligne E du RER ouverte en 1998, la première étape consiste à prolonger les voies de la banlieue est jusqu'au secteur de la gare Saint-Lazare par un tunnel. La seconde étape envisage le prolongement du tunnel jusqu'à la gare de Pont-Cardinet, et la jonction avec les voies du groupe II, en direction de Versailles et Saint-Nom-la-Bretèche. Mais ce projet initial a été abandonné en 2009, le projet se réorientant vers une desserte plus directe du quartier de La Défense, avec une jonction à l'ouest avec les voies du groupe V, en direction de Mantes-la-Jolie, qui permettrait de soulager plus efficacement la ligne A du RER. Le groupe II ne connaitrait alors aucune évolution significative durant les années 2010.