Aujourd’hui, les anciennes emprises de la ligne sont occupées par le RER A entre les gares de Vincennes et de Boissy-Saint-Léger.
Dans Paris, la gare de la Bastille est détruite et remplacée par l’opéra Bastille. Le viaduc de la place de la Bastille à la Porte de Montempoivre a été transformé en coulée verte, la promenade plantée, et les arches ont été transformées en ateliers d’art et d’artisanat au sein du Viaduc des Arts.
Dans le Val-de-Marne, entre la Porte de Montempoivre et le RER A à Vincennes, la ligne est abandonnée. Entre les gares de Vincennes et de Boissy-Saint-Léger, le tracé est incorporé à la ligne A du RER. Une coulée verte et un parcours de santé sont installés dans la traversée de Limeil-Brévannes jusqu’à l’emplacement de l’ancienne gare. La voie est toujours présente mais recouverte de terre.
Ensuite se situe l’emprise de la ligne interconnexion Est du TGV, en aérien dans la forêt et en souterrain dans la traversée de Villecresnes dont le bâtiment voyageurs a été détruit, ce qui a permis de créer une coulée verte dans la commune de Villecresnes. Il s’agit de la seule réalisation de la coulée verte qui doit relier le lac de Créteil à Santeny. À partir du Réveillon, la ligne d’interconnexion Est s’écarte de la ligne de Vincennes. Celle-ci se transforme en chemin jusqu’à l’ancienne garde-barrière (détruite) du chemin du Mont-Ézard. Plus loin, la ligne est abandonnée mais un chemin la longe jusqu’à Mandres-les-Roses ; elle a été réhabilitée en chemin pédagogique dans le cadre de la découverte des zones périurbaines de Mandres et de Périgny jusqu’à l’ancienne gare.
Le tracé devient parfois moins identifiable jusqu’à la gare de Brie-Comte-Robert, car des activités agricoles, industrielles et tertiaires sont installées sur l’emprise de la voie ; une rue et une piste cyclable l'empruntent également. À partir de Brie-Comte-Robert, il est prévu d’aménager la ligne en Coulée verte jusqu’à Verneuil-l'Étang. Un premier tronçon sécurisé pour piétons et cyclotouristes a été réalisé entre Brie-Comte-Robert et la gare de Coubert-Soignolles mais aucune échéance n’est prévue pour la suite. La réalisation demeure d'ailleurs très hypothétique car le financement doit être assuré par de très petites communes aux ressources budgétaires très limitées.
Le reste du parcours sur l'ancien tracé de la voie jusqu’à Verneuil-l'Étang est toujours possible à pied ou en vélo tout terrain jusqu'à Guignes, avec des difficultés variables du fait des modifications du terrain, en particulier après Solers. Au-delà de la Gare de Yèbles - Guignes, les trois derniers kilomètres sont impraticables à cause d'une végétation très dense. Cette situation empêche d'y observer la voie et des éléments de signalisation qui sont toujours présents. Sur ce dernier tronçon, un projet de vélorail est en cours d'étude.
Au milieu des années 1850, la proche périphérie parisienne est desservie par plusieurs lignes de chemin de fer, d'abord de courtes lignes en direction de la banlieue ouest résidentielle, puis par les lignes des grandes compagnies en direction du nord, de l'est et du sud. Mais le secteur sud-est de Paris n'a pas attiré les investissements des compagnies en raison de la faible population rurale et des modestes revenus de ses habitants.
Toutefois, Napoléon III projette dès son avènement d'aménager le bois de Vincennes, et des promeneurs commencent à fréquenter assidument à cette époque les bords de Marne, en dépit de conditions de transport difficiles par les omnibus. La ligne de Vincennes est alors proposée en 1852 par Andraud mais demeure sans suite. Un nouveau projet est proposé pour combler l’absence de chemin de fer entre la ligne PLM au départ de la gare de Lyon, et la ligne de Strasbourg, au départ de la gare de l'Est. Mais cette ligne est également pour l'État une ligne stratégique, qui permet de créer un deuxième itinéraire vers les frontières de l'Est grâce à la jonction avec la ligne Paris - Mulhouse, également projetée, ainsi qu'une desserte ferroviaire du Fort de Vincennes.
La compagnie du chemin de fer de Paris à Strasbourg obtient par décret impérial du 17 août 1853 la concession de la ligne, destinée à desservir les méandres de la Marne en Seine-et-Oise jusqu’à la gare de La Varenne - Chennevières. En même temps est concédée la ligne Paris - Mulhouse, qui passe par Verneuil-l’Étang et Longueville.
La Compagnie de l'Est tente de rentabiliser au maximum cette courte ligne, en lui faisant adopter un tracé sinueux desservant le plus de communes possibles d'une proche banlieue en plein développement. Les travaux débutent en 1855 mais sont interrompus dès 1857, la Ville de Paris contestant la pénétration dans la ville et l'édification d'un viaduc. Mais la ténacité de la Compagnie de l'Est permet de réaliser cet itinéraire. La construction reprend au début de 1858 et s'achèvent un an après.
Le 22 septembre 1859, la ligne est ouverte au public de la Bastille à La Varenne. Elle rencontre un succès immédiat avec une importante fréquentation, autant de la part des habitants des bords de Marne qui voient leur accès à la capitale nettement facilité, que des parisiens, avides de flâneries sur les rives de la Marne et de promenades dominicales dans le bois de Vincennes.
Le trafic élevé est favorisé par la politique de la Compagnie de l'Est, qui met en place des abonnements à tarif très réduit pour les ouvriers travaillant à Paris, et un service fréquent pour l'époque. Durant les années 1860, pas moins de trente-deux trains par jour et par sens desservent la ligne, soit un départ à la demi-heure, avec un train sur deux terminus Vincennes ou Joinville, et un autre desservant toutes les gares du parcours jusqu'à La Varenne, en cinquante minutes. En 1869, la ligne de Vincennes transporte 5 930 000 voyageurs.
Après la guerre de 1870, et face au succès rencontré, la Compagnie de l'Est décide de prolonger la ligne à plusieurs reprises suivant un projet datant des années 1850, tout d'abord jusqu'à la gare de Sucy – Bonneuil le 5 septembre 1872, puis jusqu’à Boissy-Saint-Léger le 9 juillet 1874, pour atteindre Brie-Comte-Robert le 5 août 1875. La ligne aborde alors un environnement très différent du premier tronçon, quittant la proche banlieue dense pour le plateau de la Brie, à l'habitat très clairsemé. Ce n'est donc pas un trafic élevé de voyageurs qui est visé, mais un certain trafic de marchandises. Ce tronçon ne voit d'ailleurs circuler que quatre allers-retours par jour.
Malgré l’opposition de la Compagnie en raison du très faible trafic à prévoir, la ligne est finalement prolongée une dernière fois jusqu'à Verneuil-l’Étang le 1er juillet 1892, assurant la connexion avec la ligne de Paris-Est à Troyes et Mulhouse, et atteint sa longueur maximale de 54 kilomètres.
En 1893, la ligne est également prolongée jusqu’à Marles-en-Brie, sur la ligne Gretz-Armainvilliers - Coulommiers -Vitry-le-François, au moyen d’un tronçon numéroté 39 dans la numérotation de la compagnie de l’Est ou 214 dans celle de la région Est de la SNCF.
La ligne de Vincennes connaît une croissance quasi-continue hormis un fléchissement provoqué par la guerre de 1870. Néanmoins, la multiplication des lignes de tramway provoque une concurrence de plus en plus rude avec la création, d'abord, de la ligne Vincennes - Louvre de la Compagnie générale des omnibus (CGO) en 1875, puis de la ligne Vincennes - Ville-Évrard et Bry-sur-Marne des Chemins de fer nogentais, puis celle des Tramways de Saint-Maur, ces deux compagnies assurant plutôt des rabattements locaux vers la ligne de Vincennes.
Toutefois, la Compagnie de l'Est réagit en augmentant la fréquence de ses circulations et par la mise en place de trains directs, qui augmentent fortement la vitesse commerciale de la ligne. En 1876, l'intervalle des trains pour Vincennes est ramené de trente à quinze minutes, et à trente minutes pour Joinville. En 1886, le trajet de la Bastille à Vincennes dure quinze minutes, et vingt-deux minutes jusqu'à Joinville. Les mesures semblent concluantes, puisque le trafic continue sa croissance, passant de sept millions de voyageurs en 1880 à dix-neuf millions en 1900.
Pourtant, la situation devient plus critique avec l'ouverture de la ligne 1 du métro en 1900, puis la modernisation et l'extension des lignes de tramway. La compagnie réagit en améliorant ses dessertes à moyenne distance. Mais surtout, afin d'améliorer les performances de la ligne, un premier projet d'électrification par troisième rail en courant continu est envisagé, mais il demeure sans suite, peut-être en raison de la reprise de la progression du trafic. Un nouveau projet d'électrification est élaboré, cette fois en 11 000 volts monophasé par caténaire à l'image des expériences de la compagnie du Midi, mais ce projet ne connaît pas plus de suite que le précédent, le trafic connaissant une croissance constante. Il atteint en effet vingt millions de voyageurs en 1920 puis trente millions en 1930.
La crise économique des années 1930 atteint fortement la ligne de Vincennes. Les « trains de plaisir » dominicaux disparaissent et le trafic des travailleurs se réduit fortement. La situation est encore aggravée par l'extension de la ligne 1 du métro au château de Vincennes en 1934. Puis la mise en service d'autobus, plus rapides que les tramways qu'ils remplacent, les encombrements routiers n'existant pas encore à cette époque, portent le coup de grâce à la ligne, qui ne transporte plus que douze millions de voyageurs en 1936. La ligne est victime de sa trop grande proximité de Paris où elle est soumise à une très rude concurrence.
À partir des années 1920, la Compagnie du chemin de fer métropolitain de Paris (CMP) commence à réfléchir aux conséquences de l’urbanisation croissante de la banlieue parisienne, territoire sur lequel le métro ne peut accéder, du fait de son gabarit et de sa vitesse commerciale trop faible. Il est donc proposé de prolonger les lignes ferrées de banlieue à l'intérieur de la capitale. La ligne de Vincennes est un temps désignée, mais la priorité est ensuite donnée à la ligne de Sceaux qui est remise à la CMP en 1937 et devient durant trente ans l'amorce prototype de ce qui sera à la fin des années 1960 le RER.
A contrario la ligne de Vincennes dans une situation d'attentisme est maintenue dans un état de sous-investissement chronique, gardant par exemple ses locomotives à vapeur type 141 TB, jusqu’à la fin de l’exploitation en 1969. La Compagnie de l'Est ne souhaite plus que se débarrasser de cette ligne devenant fortement déficitaire, en la rétrocédant au Métropolitain. Dans l'attente, elle supprime des trains et propose en 1937 aux pouvoirs publics de supprimer purement et simplement la ligne. Cette proposition provoque l'émoi des habitants et élus des communes desservies et, devant la virulence des réactions, la compagnie renonce à ce projet.
La fréquentation poursuit sa diminution et la reprise du réseau de l'Est par la toute nouvelle Société nationale des chemins de fer français (SNCF) en 1938 n’y change rien, bien au contraire. Le succès considérable de la ligne de Sceaux, radicalement modernisée et dont le trafic double en un an depuis son électrification, fait encore mieux ressortir la longue décadence de la ligne de Vincennes. La section rurale est progressivement fermée au trafic voyageurs : dès le 17 juillet 1939 le tronçon peu fréquenté de Boissy-Saint-Léger à Verneuil-l'Étang est fermé à tout trafic. Un nouveau projet d'électrification de la section Reuilly - La Varenne est lancé en 1941, et une loi du 4 juin 1941 prévoit même la rétrocession par la SNCF à la CMP du tronçon, après électrification et modernisation. Mais ce nouveau projet tombe à son tour dans l'oubli en raison des circonstances politiques.
Toutefois, le déclenchement de la Seconde Guerre mondiale provoque un retour provisoire du trafic. Le tronçon Boissy-Saint-Léger à Verneuil-l’Étang est même rouvert un temps au trafic, avec quelques trains par jour. La ligne connaît du printemps 1944 à l’hiver 1946 un dernier sursaut, avec le déroutement par Verneuil-l'Étang de trains grande ligne pour Châlons-sur-Marne, Sézanne ou Troyes, du fait des travaux de restauration du viaduc de Nogent et d'autres portions de la ligne, bombardés par les Alliés et sabotés par les troupes allemandes en retraite.
Après guerre, les fermetures reprennent : le tronçon Brie-Comte-Robert - Verneuil-l'Étang est fermé au trafic voyageurs en 1947, puis le 18 mai 1953, le tronçon de Boissy-Saint-Léger à Brie-Comte-Robert est à son tour fermé aux voyageurs. L’activité de cette section est dès lors limitée au trafic de marchandises, avec passage en voie unique en 1963-1964.
Toutefois, durant les années 1950, la SNCF met en œuvre quelques travaux d'amélioration de l'infrastructure, avec en particulier la suppression progressive des passages à niveau, comme à Parc Saint-Maur en 1956, La Varenne en 1959 puis Champigny en 1963. En 1969, il subsiste encore quarante-quatre trains quotidiens dans chaque sens, dont treize directs ou semi-directs. Mais le nombre de voyageurs transportés est tombé à six millions par an.
Les projets de RER ayant été relancés au cours des années 1950, sont alors décidées l'électrification et la transformation de la section de ligne située en proche banlieue, pour l'intégrer à la transversale Est-Ouest, qui devient en 1977 la ligne A du RER. Toutefois, la décision d'abandonner la gare de la Bastille, trop petite et inadaptée, est confirmée en 1963. Une nouvelle gare souterraine est édifiée à la Nation à laquelle les trains accèdent depuis Vincennes directement par un nouveau tunnel.
La ligne de Vincennes a subi une situation d'attentisme de la part de ses exploitants successifs, et n'a fait l'objet d'aucuns travaux d'importance depuis plusieurs décennies. Il faut donc tout d'abord la moderniser, son équipement déjà dépassé dès les années 1930, étant devenu totalement anachronique durant les années 1960. Dès 1966, c'est la SNCF qui se charge par délégation des travaux considérables à entreprendre sur le tronçon Vincennes - Boissy-Saint-Léger, les tunnels de la transversale Est-Ouest à partir de la gare de Nation étant réalisés par la RATP. Cette dernière se charge également de la démolition puis reconstruction de la totalité des bâtiments voyageurs du tronçon, remplacés par de nouveaux édifices froids, anguleux et sans recherche architecturale, dans l'esprit de l'époque, mais parfaitement fonctionnels et souvent jumelés à une gare routière et des parcs de stationnement.
Les travaux sont toutefois rendus délicats par leur réalisation en milieu urbain et sur une ligne qui demeure en exploitation. Ces travaux consistent pour l'essentiel, outre la reconstruction des bâtiments voyageurs, en la construction de quais hauts de 1,10 mètre et de 225 mètres de longueur avec abris parapluie et passages souterrains ou passerelles, le renouvellement intégral de la voie par des rails lourds de 60 kg/m et l'électrification en 1,5 kV courant continu après mise au gabarit des ouvrages d'art.
La signalisation doit également être profondément modernisée : le block automatique mécanique type Est est remplacé par le block automatique lumineux (BAL) de type SNCF. Par ailleurs, sept postes d'aiguillage tout relais à transit souple (PRS) sont créés à Vincennes, Fontenay, Joinville, Parc-Saint-Maur, La Varenne, Sucy et Boissy.
Le 14 décembre 1969 à 0 h 50, le dernier convoi de passagers part de la gare de la Bastille pour Boissy-Saint-Léger, soit un parcours de 22 km, marquant ainsi la fin définitive de la très populaire ligne V, après 110 ans d’exploitation. Quelques heures après en début de service, les nouvelles automotrices électriques MS 61 amènent les voyageurs à la gare de Nation, la nouvelle desserte contrastant fortement par sa modernité avec les anciens trains à vapeur.
La gare de la Bastille a elle aussi fermé ses portes le 14 décembre 1969, le trafic étant désormais reporté sur la toute nouvelle gare RER de Nation. Elle sert ponctuellement de lieu d'exposition, sa destruction n’intervient qu’en 1984, pour laisser place à l’actuel Opéra Bastille.
La section Bastille - Reuilly est, elle, rapidement désaffectée, le viaduc de Daumesnil, entre la place de la Bastille et Reuilly à Paris, d'abord voué à la démolition, est ensuite transformé en une promenade plantée, prolongée par une Coulée verte dans l'ancienne tranchée de Reuilly jusqu'à la porte de Montempoivre. Le tronçon de Reuilly à Saint-Mandé reste ouvert, la gare de Reuilly étant, pour son trafic de marchandises, desservie par des trains en provenance de Sucy. Quelques années plus tard, sa desserte est amorcée à La Rapée-Bercy avec emprunt de la ligne de Petite Ceinture, ce qui entraîne la fermeture définitive du tronçon Bel-Air - Saint-Mandé. Enfin, une opération immobilière voulue par la mairie de Paris condamne la gare marchandises de Reuilly, en dépit de son bon niveau de trafic. La voie de Reuilly à Bel-Air est déposée et fait place à une coulée verte, mais le bâtiment voyageurs est préservé.
À Nogent-sur-Marne, le dépôt vapeur de Nogent-Vincennes est très vite démoli dès l'intégration au RER en 1969, de même que son ancienne rotonde, provenant à l'origine du dépôt de La Villette. Dans le cadre de l'interconnexion Est, les TGV sud-est empruntent depuis 1996 l'ancien tracé de la ligne de Vincennes à Villecresnes.
Cependant, un trafic marchandises irrégulier perdure jusqu’au milieu des années 1980 sur une petite portion briarde de la ligne, entre Coubert et Verneuil-l'Étang, pour le compte d’une usine fabriquant des éléments en béton. À la suite de la fermeture de l'usine, la liaison est arrêtée et la voie déposée jusqu'à Yèbles.
Au début des années 1990, le dernier tronçon de trois kilomètres entre les gares de Yèbles et Verneuil-l'Étang, encore utilisé épisodiquement pour le transport de ferraille par un locotracteur tractant quelques wagons, est fermé à son tour et la voie simplement laissée à l'abandon par la SNCF, sans être déposée.