Cette partie de la "ligne impériale" reliant Paris à Marseille traverse notamment la plaine de la Crau, ce qui valut des hésitations quant à son tracé :
Outre les séries ex PLM, des machines plus récentes comme les 141 R et 241 P ont parcouru la ligne, qui fut électrifiée peu avant le développement de la traction Diesel de ligne.
Bien que la ligne ait été électrifiée en 1960 - 1961, les machines à vapeur continuèrent à la fréquenter quelques années encore, les 141 R de Miramas jetant leurs derniers feux en 1971.
L'électrification permit immédiatement l'utilisation des séries construites à cette occasion, comme les BB 9200, 9400 et Z 7100, ainsi que de séries commandées auparavant pour l'électrification Paris - Lyon : CC 7100, BB 8100 et 2D2 9100. En outre, la jonction des caténaires avec celles de la Transversale Sud permit la venue de séries beaucoup plus anciennes, héritées du PO (2D2 5100, 5300 et 5500) et du Midi (BB de tous types et 2D2 5000).
La ligne connut ensuite les mêmes évolutions que le réseau électrifiée de la région SNCF Méditerranée puis du Sud Est, avec l'apparition des BB 8500 en 1965, BB 9300 en 1968, CC 6500 en 1969. A partir de la fin des années 60, quelques machines bicourant BB 25100, et surtout 25200 et 25500, firent également leur apparition, assurant notamment des trains vers la Côte d'Azur sans relais traction à Marseille car empruntant le raccordement des Chartreux.
Apparurent ensuite les BB 7200 et 22200 en 1976 / 77, les dernières étant d'abord confinées au service marchandises puis évinçant les BB 25100 / 25200 y compris sur les TEE comme le Mistral.
Le TGV Sud Est fit très tôt son apparition avec les premiers trains Paris - Marseille / Montpellier (le cas échéant découplés en gare d'Avignon) en 1982, alors qu'au même moment apparaissaient les automotrices Z2 et disparaissaient les séries héritées des anciens réseaux, sauf quelques BB Midi conservées aux manœuvres quelques temps encore. Les 2D2 9100, reléguées aux trains de messageries, disparurent en 1987, et l'amortissement des BB 9400, 8100 (toutes deux confinées au trafic marchandises) et CC 7100 commença dans la foulée.
Les BB 26000, arrivées au début des années 90, furent d'emblée quasiment exclusivement utilisées en service marchandises, le trafic voyageurs longues distances étant majoritairement assuré en TGV, dont les nouveaux Réseau puis Duplex. Apparurent aussi des BB 9600 dédiées au trafic régional (issues de BB 9400 dont la réforme fut achevée en 1994), puis de nouvelles automotrices Z 23500, à deux niveaux, furent reçues à partir de 1998.
En 2001, les CC 7100 et BB 8100 tirèrent définitivement leur révérence, en partie remplacées par les nouvelles BB 27000, alors que le trafic TGV était presque totalement dévié vers la nouvelle ligne. Quelques années plus tard eurent lieu les dernières circulations de BB 9200, à la fois en service voyageurs et fret, et CC 6500, BB 8500.
A partir de 2005, ce furent les automoteurs AGC qui firent leur apparition tant pour le compte de la région PACA que Languedoc Roussillon ; quelques Z 26500 PACA et Rhône Alpes firent leur apparition au même moment, alors que les Z 23500 (provisoirement ?) et BB 9600 ont déserté la ligne ; les dernières circulations de BB 9300 eurent lieu en 2009, et les Z 2 (Z 7300 / 7500 affectées à la région Languedoc Roussillon) ne fréquente plus que la section Avignon - Tarascon.
Actuellement, du côté des relations grandes lignes, le trafic est presqu'exclusivement assuré en rames Téoz associée à des BB 7200 ou 22200, les BB 26000 assurant quelques apparitions notamment sur des trains saisonniers (TAC Hambourg - Narbonne). Les relations régionales vers le Languedoc Roussillon sont assurées en AGC, et, pour la branche Avignon - Tarascon, en Z 2 ou en rame Corail tractée généralement par une BB 7200. Les TER PACA, eux, sont assurés en Z 26500, B 81500, RIO ou RRR + BB 25500 ou 22200RC, et en rames réversibles Corail associées à des BB 7200 ou 22200.
Bien que la ligne ait été électrifiée avant que la traction Diesel se répande en masse, la circulation de tels engins est arrivé de manière assez fréquente, certaines relations omnibus étant au roulement d'autorails EAD X 4500 ou de rames RIO ou RRR associées à des BB 67400.
Sur le trafic marchandises, des BB 66000, 66600, 67000, 67400 et 69200 ont été utilisées quotidiennement en particulier pour desservir des embranchements non électrifiés et pour regagner leurs dépôts de Nîmes ou Avignon.
Origine du kilométrage : Paris gare de Lyon via Lyon et la rive gauche du Rhône
Attention, descriptif ne comportant que les gares et ouvrages d'art majeurs (les PN et ponts ne sont pas mentionnés).