La ligne a été ouverte en deux étapes.
Le 10 novembre 1873, un embranchement ferroviaire est ouvert entre la gare de l’Arbresle, située sur la ligne Le Coteau - Saint-Germain-au-Mont-d’Or ouverte en 1866-1868, et Sain-Bel.
Le 17 janvier 1876, les sections Montbrison - Sain-Bel par Montrond-les-Bains et l’Arbresle - Lyon-Saint-Paul sont mises en service à leur tour. Entre Montrond et Montbrison, les voies reprennent le tracé d’une ancienne ligne ouverte entre de 1839 et fermée en 1848.
Partant en tunnel de la gare de Lyon-Saint-Paul, à proximité de la presqu’île, elle évite le quartier de Vaise, croise à Tassin-la-Demi-Lune la ligne d’évitement de Lyon par l’ouest, et prend, à Charbonnières-les-Bains la direction nord-ouest pour contourner l’extrémité nord des Monts du Lyonnais.
Elle rejoint à l’Arbresle la ligne de Lyon à Roanne par Saint-Germain-au-Mont-d’Or, dont elle se détache immédiatement, direction sud-ouest, pour remonter la vallée de la Brévenne jusqu’à sa source, près de Chazelles-sur-Lyon, avant d’entrer en gare de Viricelles-Chazelles-sur-Lyon, point de correspondance avec l’ancien tramway de Saint-Symphorien-sur-Coise. Dans son état initial, elle redescendait alors dans la plaine du Forez, où elle croisait à Montrond-les-Bains la ligne Roanne - Saint-Étienne, et rejoignait à Montbrison la ligne Clermont-Ferrand - Saint-Étienne.
Liste des gares :
Lyon-Saint-Paul - Lyon-Gorge-de-Loup - Écully-La-Demi-Lune - Tassin - Le Méridien - Charbonnières-les-Bains - La Tour-de-Salvagny - Lentilly - Fleurieux-sur-l’Arbresle - L’Arbresle - Sain-Bel - Bessenay - Courzieu-Brussieu - Sainte-Foy-l’Argentière - Meys - Viricelles-Chazelles-sur-Lyon - Bellegarde-en-Forez - Montrond-les-Bains - Boisset-Le Cerizet - Grézieux-le-Fromental - Montbrison.
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