Le 17 septembre 1840, la Compagnie du Chemin de fer de Paris à Orléans ouvre la ligne de Paris-Austerlitz à Corbeil suivant la rive gauche de la Seine. La présence de nombreux moulins le long de la rivière Essonne à Corbeil et de magasins à grains, avait justifié l'intérêt de cette ligne.
L’ancienne ligne de Paris à Corbeil, d’une longueur de 30,250 km, reliait la gare d’Austerlitz à l’embarcadère de Corbeil et comportait six stations : Choisy-le-Roi, Ablon, Mons, Viry, Ris et Evry. De six trains par jour dans chaque sens à son inauguration, la ligne proposa huit trains à partir de 1941. À son ouverture, le temps de trajet était environ d’une heure ; le train inaugural avait, lui, fait le parcours en 45 minutes. Cette ligne connut un très grand succès avec près de 800 000 voyageurs en 1843, date à laquelle fut inaugurée la ligne d'Orléans qui se débranchait à Juvisy de la ligne Paris - Corbeil. La gare de bifurcation de Juvisy est ouverte lors de l'ouverture de la ligne d'Orléans, en mai 1843.
La liaison Paris – Juvisy – Étampes devint alors la banche principale de la ligne de Paris à Orléans. L’embranchement Juvisy - Corbeil devint une branche secondaire. Cette branche fut reprise par la Compagnie des chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée en 1857.
La loi du 19 juin 1857 concède la ligne à la nouvelle Compagnie des chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée (PLM). Celle-ci met en service le tronçon Moret - Montargis - Nevers le 21 septembre 1861, achevant son second itinéraire de Paris à Lyon, par Roanne et Saint-Étienne. Par la même loi de 1857, la Compagnie d'Orléans cède le tronçon Juvisy - Corbeil au PLM. Cette dernière s'empresse de relier ce tronçon à sa grande ligne de Bourgogne : le tronçon Villeneuve-Saint-Georges - Juvisy (7 km) est ouvert le 18 mai 1863. La gare de Vigneux fut ouverte lors du raccordement.
La liaison Villeneuve-Saint-Georges - Juvisy a été réalisée grâce à la construction d'un pont en biais à 70° sur la Seine en 1857, pont baptisé « le pont d’Athis ». Ce pont fut détruit le 14 septembre 1870 pour empêcher les troupes allemandes de passer la Seine lors de l’investissement de Paris. Il fut reconstruit en 1871. La partie aval fut reconstruite en acier en 1903.
Le traité du 31 janvier 1855 crée le syndicat du Bourbonnais. Ce syndicat, formé des compagnies PLM, PO et de la Compagnie du chemin de fer Grand-Central de France, avait, entres autres objectifs, la création des lignes Corbeil — Nevers et Moret — Nevers. Le décret précise par ailleurs le tracé des lignes, ainsi que ses embranchements à Juvisy ou Corbeil sur le réseau de la Compagnie d'Orléans, et à Moret sur celui de la Compagnie Paris-Lyon.
L'effondrement de la Compagnie du chemin de fer Grand-Central de France en 1857 entraina la disparition du syndicat du Bourbonnais. Ses projets de nouvelles lignes ferroviaires ne furent pas remis en cause par la compagnie PLM qui avait repris une partie des concessions, dont la liaison Corbeil — Montargis.
Le prolongement jusqu'à La Ferté-Alais et Maisse, long de trente-trois kilomètres, ouvre le 5 janvier 1865. Cette section comporte les nouvelles gares de Mennecy, Ballancourt, la Ferté-Alais, Boutigny et Maisse.
La création de la ligne entraina un remaniement complet de la gare de Corbeil et un déplacement des voies en provenance de Juvisy. À l’origine, la gare de Corbeil était située dans le prolongement de la ligne dont elle était le terminus. La gare était donc orientée nord — sud, parallèlement à la Seine. Le prolongement de la ligne vers Montargis, le long de la rivière Essonne, nécessita d’orienter les voies vers l’ouest à l’entrée nord de la gare et la création d’une nouvelle gare. La gare est donc depuis orientée est — ouest.
Les travaux du dernier tronçon de Maisse à Montargis, long de soixante kilomètres, sont adjugés fin 1863. Ils démarrent en 1864 et s'achèvent en mai 1867. Le 6 mai, le tronçon est mis en service, sans inauguration officielle, mais par une population en liesse : cette ligne, à voie unique, permet le désenclavement des industries de la vallée de l'Essonne, et le transport, à coût réduit, des engrais nécessaires à l'agriculture locale.
Le section de la ligne Corbeil - Maisse fut mise à double voie le 17 avril 1882 ; la section Maisse - Montargis le fut le 28 août 1883.
Quatre omnibus quotidiens relient Paris à Montargis, distants de 118 kilomètres, en environ quatre heures quinze minutes. Le développement du trafic est en partie lié à la saturation progressive de l'artère impériale, qui oblige à détourner une part croissante des circulations par la ligne du Bourbonnais. Cette croissance impose la mise en place d'une seconde voie : en 1889, les travaux s'achèvent entre Maisse et Montargis.