Plusieurs projets ont été évoqués pour une réutilisation de la ligne de Petite Ceinture :
Une ligne de métro, de tramway, de tram-train ou une ligne de transport de marchandises : une partie de la Petite Ceinture est déferrée à l'ouest. La ligne de tramway T3 a été mise en service sur les boulevards des maréchaux sur la rive gauche de la Seine. Également, le prolongement du tramway T2 à la Porte de Versailles a été réalisé sur un itinéraire n'empruntant pas la Petite Ceinture. Celle-ci aurait pu certes être utilisée pour le prolongement au nord du tramway T3, qui pourrait sans difficulté circuler sur l'emprise de la ligne. Elle aurait néanmoins dû être partiellement reconstruite pour l'occasion, comme ce fut le cas pour les lignes T2 et T4, mais il semble que la Ville de Paris et le syndicat des transports d'Île-de-France (STIF) aient milité pour que ce prolongement utilise lui aussi les boulevards des Maréchaux et sorte du territoire parisien à Pantin pour en desservir les Grands Moulins.
Des réutilisations de tronçons à des fins d'interconnexion entre les réseaux des grandes gares : ainsi, dans le cadre des travaux de Paris Rive Gauche un raccordement est en train d'être construit des voies de la Petite Ceinture vers la gare d'Austerlitz afin de pouvoir y envoyer un jour des trains provenant de la ligne sud-est.
Une ligne touristique de vélos-rail : il semble que les services d'Yves Contassot réfléchissent - en complément de la promenade plantée - à ce type d'utilisation ludique de la plate-forme.
Une promenade plantée : sur le modèle de la coulée verte, elle reprendrait le tracé de l'ancienne ligne de la Bastille. C'est la direction prise par la Mairie de Paris. Ce dossier a fait l'objet de discussions entre RFF (propriétaire des emprises) et la Ville de Paris ; le protocole d'accord qui en découle a été accepté par le Conseil de Paris au printemps 2006. Il est également inscrit dans le Plan de Déplacement de Paris adopté en février 2006. Les opposants à ce projet rappellent que le site de la ligne, souvent en viaducs ou en tranchée ne la rend pas très facile d'accès. Par ailleurs, plusieurs tunnels, long parfois de plus d'un kilomètre, comme celui du Parc des Buttes-Chaumont (1 200 m), ne rendent pas ces parties de l'ouvrage très attractives.
Une piste cyclable : une association soutient l'idée de transformer la ligne en piste cyclable autour de Paris. Cette piste en site propre présenterait l'avantage d'être sécurisée par rapport aux voitures et ne dérangerait pas les piétons ; par ailleurs, les faibles déclivités sont idéales pour circuler dans Paris. Des ascenseurs à vélos pourraient être installés dans les zones trop profondes pour y construire des rampes d'accès. Les anciennes gares seraient reconverties en stations Vélib'.
Un parcours hippique : une étudiante de l’École Spéciale d’Architecture, Sophie Goulas, a même imaginé utiliser la Petite Ceinture pour que des calèches relient le Bois de Vincennes au Bois de Boulogne.