Au départ de Villeneuve-Saint-Georges, important nœud ferroviaire, la ligne traverse l'Yerres puis se sépare de la ligne classique Paris - Marseille qui la franchit par des sauts-de-mouton. À quatre voies, elle suit alors un tracé relativement rectiligne et en palier longeant au nord des terrains en friche la séparant de la Seine et au sud les habitations de la commune de Vigneux-sur-Seine, desservie par une gare.
Le remblai sur lequel la ligne est établie s'élève progressivement jusqu'au viaduc d'Athis-Mons enjambant la Seine. Après ce franchissement, les voies se séparent, celles dédiées au fret se raccordant à celles du triage de Juvisy tandis que celles vouées à la banlieue rejoignent par une longue pente la gare voyageurs où elles côtoient celles de la ligne C du RER.
Après Juvisy-sur-Orge, la ligne, maintenant à double voie, va longer la Seine jusqu'à Corbeil.
D'abord, coincée entre le fleuve et la route nationale 7, elle traverse un tissu urbain mêlant habitations et zones industrielles, desservant Viry-Châtillon. Puis les habitations cèdent le pas aux industries et aux zones commerciales. L'ancienne gare, abandonnée, de Grigny-val-de-Seine marque l'origine de la ligne du plateau qui capte l'essentiel du trafic RER.
La ligne Villeneuve-Saint-Georges — Montargis, elle, reste à proximité de la Seine, justifiant par là l'appellation « par la vallée » donnée à ce tronçon. Les dernières industries disparaissent et la ligne longe, à l'est, les berges de la Seine et les espaces de loisir qui y sont implantés et, à l'ouest, des parcs et jardins boisés, donnant au voyageur l'impression d'être loin de toute agglomération.
Les abords des gares de Ris-Orangis, du Grand Bourg et d'Évry Petit Bourg retrouvent un aspect plus urbanisé, surtout à Ris-Orangis où se trouvent d'anciens établissements industriels abandonnés et des immeubles d'habitation.
Après être passée sous la Francilienne, la ligne, rejointe par la celle descendant du plateau d'Évry, entre, par une courbe serré à droite, dans la gare de Corbeil-Essonnes.
La ligne de Melun oblique en descendant vers la droite tandis que celle de Montargis part en montant vers la gauche.
Après avoir franchi l'Essonne, elle s'établit alors sur sa rive droite, traversant en remblais des quartiers résidentiels du sud de Corbeil, Essonnes et Robinson, puis elle s'établit à flanc de côteau, dessert la gare de Moulin-Galant, puis franchit à angle droit, sur un pont, la ligne Corbeil-Essonnes - Montereau juste avant que celle-ci ne rejoigne la vallée de la Seine par un tunnel, et passe ensuite sous l'autoroute A6.
La ligne a maintenant quitté l'agglomération parisienne et va remonter progressivement le cours de la vallée de l'Essonne jusqu'au plateau du Gâtinais. Elle longe, toujours sur la rive droite, tantôt à flanc de coteau, tantôt en remblais, les marais de l'Essonne dans un paysage très boisé et dessert au passage la ville de Mennecy. Puis, après Ballancourt-sur-Essonne, alternant tranchées et remblais, le paysage s'élargit jusqu'à l'arrivée à La Ferté-Alais, ville établie au niveau d'un resserrement de la vallée.
Après La Ferté-Alais, la vallée de l'Essonne est plus étroite. La ligne, de plus en plus sinueuse, alterne tranchées et remblais dans des paysages campagnards fermés à l'horizon par les coteaux. Elle dessert Boutigny-sur-Essonne et Maisse puis traverse la rivière avant de rejoindre la gare de Buno - Gironville. La gare de Boigneville marque la limite de l'Île-de-France et de la tarification banlieue qui s'y applique.
Désormais, après que le voyageur a aperçu au pied du remblai les dernières cressonnières, la ligne remonte, par une longue rampe dans un paysage boisé et accidenté, vers le plateau du Gâtinais. Peu avant le sommet de la rampe, un paysage de champs remplace les bois, puis la ligne arrive en gare de Malesherbes.
Après Malesherbes, la ligne est maintenant à voie unique. Après avoir franchi à niveau la route nationale 152 se dirigeant vers Pithiviers, les lignes à voie unique et non électrifiées de Bourron-Marlotte et de Pithiviers se détachent chacune dans sa direction. Un court tronçon, non électrifié, est maintenu en état afin de servir de tiroir aux longs trains de matériaux lors de chantiers de modernisation sur le tronçon encore en service, puis un heurtoir marque la fin de la partie exploitée de la ligne.