La ligne est exploitée actuellement par la SNCF sous le label Transilien.
La desserte est assurée à l'origine par seize éléments automoteurs neufs de type Z 6400 avec conduite à agent seul, les quais étant équipés de caméras de contrôle. Il s'agit de la première affectation de ce matériel, avant son redéploiement sur la banlieue Saint-Lazare de novembre 1981 à mai 1982. Depuis 1982, la liaison est assurée exclusivement par les rames d'interconnexion MI 79 de la ligne B du RER. Il n'y existe aucun trafic de marchandises, les zones desservies étant directement reliées à la gare de triage du Bourget et à la ligne de Grande Ceinture par une voie unique située le long de l'autoroute A3.
La vitesse limite des circulations est de 110 km/h.
En 2010, la desserte est assurée à raison d'un train direct de Paris-Nord à Aéroport Charles-de-Gaulle 1 au quart d'heure en heures creuses et les week-ends, en alternance avec un train omnibus à la même fréquence. Aux heures de pointe, huit trains par heure assurent la liaison, avec une desserte semi-directe variable de Paris à Aulnay-sous-Bois, puis omnibus jusqu'à Roissy.
Le temps de parcours moyen Aulnay-sous-Bois - Aéroport Charles-de-Gaulle 2 est de dix-sept minutes, le temps de parcours moyen de Paris-Nord à Aéroport Charles-de-Gaulle 2 étant de vingt-neuf à trente-quatre minutes selon que les trains empruntés sont directs jusqu'à l'aéroport, semi-directs ou omnibus. La ligne est située pour l'essentiel dans la zone 4 de la carte Orange, à l'exception des deux gares de l'aéroport, situées en zone 5.
Le nombre de voyageurs quotidiens se situe entre 2 500 et 15 000 selon les points d'arrêt en 2004. Les trois plus importants sont les gares d'Aéroport Charles-de-Gaulle 1, du Parc des Expositions et de Sevran - Beaudottes qui accueillent chacune entre 7 500 et 15 000 voyageurs par jour. Les gares d'Aéroport Charles-de-Gaulle 2 TGV et de Villepinte voient transiter chacune de 2 500 à 7 500 voyageurs par jour.
Une infrastructure de desserte ferroviaire du nouvel aéroport Paris-Nord alors en construction figure déjà dans le Schéma directeur d'aménagement et d'urbanisme de la région de Paris (SDAURP) de 1965. Elle est inscrite en troisième position au contrat de plan État-région, avec un financement assuré par le programme spécial de la banlieue parisienne. Le tracé est approuvé par la décision ministérielle du 16 octobre 1973 et connaît dès lors une réalisation particulièrement rapide, de seulement vingt-sept mois.
Cette liaison a pour objectif d'assurer la desserte de l'aéroport international, ouvert en 1974, et de desservir localement les zones urbaines en pleine expansion de Sevran et Villepinte, ainsi que les zones d'activité économique de Parinor. Trois gares sont prévues à cet effet : une souterraine dans le nouveau quartier des Beaudottes à Sevran, une à Villepinte, et la gare terminale de l'aéroport. Mais contrairement aux principaux autres aéroports européens, la gare n'est pas judicieusement située sous l'aérogare, mais à une distance de près d'un kilomètre, résultat des nombreuses hésitations quant à l'emplacement définitif de l'aérogare. Cet emplacement impose une rupture de charge et l'emprunt d'une navette routière afin de gagner le terminal. Les 8 300 premiers mètres du tracé sont situés hors du périmètre de l'aéroport, le reste à l'intérieur de ce dernier. La partie méridionale du tracé emprunte celui de la ligne d'Aulnay à Senlis et Rivecourt, entreprise en 1913 par la Compagnie des chemins de fer du Nord et restée inachevée, suite à l'interruption des travaux au début de la Première Guerre mondiale.
La réalisation de la ligne impose d'importants remaniements à Aulnay-sous-Bois, avec un remodelage du plan des voies, la création d'une cinquième voie à quai et la mise en service d'un poste d'aiguillage tout relais à transit souple (PRS) afin de télécommander l'antenne de Roissy. À Paris-Nord, la gare annexe est réaménagée pour recevoir les trains sur cinq voies (21, 22, 26, 27 et 28), dont les quais sont portés à 235 mètres de longueur. Les voies courtes 23 et 24 sont supprimées et remplacées par une plate-forme, de façon à assurer un meilleur accueil aux voyageurs. La nouvelle liaison baptisée « Roissy-Rail » est ouverte fin mai 1976. Le service est assuré par un train direct au quart d'heure réalisant le trajet en seulement dix-neuf minutes et de deux à quatre trains selon les heures, directs entre Paris et Aulnay puis omnibus jusqu'à Roissy.
La fréquentation de la gare de Sevran - Beaudottes se révèle très élevée dès les premiers mois ; la montée en charge de celle de Villepinte est, elle, plus lente. Mais la correspondance routière imposée pénalise durement la liaison aéroportuaire, qui ne connaît pas une fréquentation importante. Elle est victime d'une correspondance contraignante à l'arrivée pour la clientèle aérienne qui augmente exagérément le temps de parcours. Ainsi, dès le service d'hiver 1977, les trains directs sont supprimés, et remplacés par des trains semi-directs, d'autant plus que le lancement des grands travaux dans le cadre de l'interconnexion à Paris-Nord rend difficile leur maintien.
Toutefois, les employés de l'aéroport, et la clientèle locale, dont le rabattement est assuré par diverses lignes de car, permettent d'assurer la croissance progressive du trafic. L'ouverture de l'aérogare 2 en 1982 ne change pas cet état de fait, là aussi à cause de l'éloignement de la gare ferroviaire qui impose une rupture de charge. La liaison ne suit pas la courbe de croissance du trafic aérien de l'aéroport.
En janvier 1983, une nouvelle gare est ouverte à 1200 mètres de celle de Villepinte en direction de Roissy. Elle prend le nom de Parc des Expositions, desservant un nouvel espace couvert complétant celui de la porte de Versailles et le Centre des nouvelles industries et technologies (CNIT) de La Défense.
La réalisation de la LGV Interconnexion Est permettant des relations à grande vitesse Province - Province est décidée. Elle passe par l'aéroport, desservi par une gare TGV. Il semble donc logique de prolonger en conséquence la ligne de Roissy d'environ mille mètres, afin d'assurer une correspondance entre RER et TGV, et de desservir directement, sans rupture de charge, le terminal 2 de l'aéroport, en extension continue et concentrant depuis l'essentiel du trafic aérien. Le prolongement est ouvert le 13 novembre 1994. À cette occasion, l'ancienne gare de Roissy - Aéroport Charles de Gaulle est rebaptisée Roissy - Aéroport Charles de Gaulle 1.