La fréquence prévue est d'un train toutes les 5 minutes aux heures de pointe et toutes les 10 minutes aux heures creuses. La vitesse commerciale prévue avoisinera les 50 km/h, grâce à des interstations longues et à un matériel performant en accélération. Le trajet complet entre Sartrouville et Noisy-le-Sec nécessitera environ 35 minutes. L'amplitude horaire de la ligne sera large, avec des circulations de 5 h 00 à minuit.
Il est prévu d'exploiter la ligne par des rames Citadis Dualis d'Alstom, dérivées du Citadis du même constructeur.
En effet, la SNCF a commandé trente et une rames de ce nouveau matériel en avril 2007 pour satisfaire aux besoins péri-urbains destinées à la région Rhône-Alpes et à la région Pays de la Loire.
Par ailleurs, 169 autres rames sont en option, dont 83 pour les besoins de l'Île-de-France. Il en est prévu 38 pour la Tangentielle Nord, dont seulement 11 seront commandées ferme pour la mise en service de la première tranche de ce projet (Épinay-sur-Seine - Le Bourget).
Le Dualis est un matériel électrique de 2,65 m de largeur et 42 m de longueur, avec une charge à l'essieu de 11,5 tonnes, une vitesse maximale de 100 km/h. Il est capable de fortes accélérations et peut gravir des rampes de 65 ‰.
Totalement accessible aux personnes à mobilité réduite ou en fauteuils roulant, il est doté d'un plancher plat à 38 cm de hauteur, et peut transporter 250 voyageurs. Il peut circuler en unités doubles ou triples pour s'adapter au trafic. Le matériel sera doté de la ventilation réfrigérée, et d'un système d'affichage embarqué.
Si le projet de Tangentielle Nord prévoyait à l'origine une branche entre Pontoise et Épinay-sur-Seine, ce projet semble remplacé par une simple mise en correspondance avec la ligne C du RER.
En revanche, le projet de SDRIF rendu public en février 2007 prévoit la prolongation de la Tangentielle Nord jusqu'à la gare de Noisy-le-Grand - Mont d'Est, à échéance 2020. Le projet prévoit également un prolongement ultérieur de la ligne vers le sud, vers Villiers-sur-Marne, Sucy-Bonneuil et Massy à plus long terme. Toutefois ces projets ne font l'objet en 2008 d'aucune planification ni financement.
La création d'une station de métro « La Folie » sur la ligne 5 le long du canal de l'Ourcq à Bobigny est possible, les emprises ayant été réservées, et assurerait la correspondance avec la Tangentielle Nord à Bobigny — La Folie. Cette station de métro ne fait toutefois pas partie du projet Tangentielle Nord.