La costruzione dell'intera linea ha richiesto quattordici anni di lavori. Originariamente la linea era stata realizzata a binario unico, tranne che tra Marsiglia e Tolone, ma il costante aumento del traffico ha richiesto che la linea fosse trasformata progressivamente a doppio binario. Dal 1869 al 1882 furono eseguiti i lavori sulla tratta da Tolone a Nizza. Il tratto tra Nizza e Ventimiglia fu eseguito dal 1890 al 1910.
Il 22 marzo 1852 fu costituita a Parigi la Compagnie du chemin de fer de Lyon à la Méditerranée. Un accordo firmato il 19 giugno 1852 tra il Ministro dei Lavori Pubblici e la società approvava l'acquisto di varie concessioni ferroviarie effettuate dalla società e le assegnava la costruzione e l'esercizio di una linea da Marsiglia a Tolone, nonché una diramazione da Rognac ad Aix. Tale accordo divenne legge l'8 luglio 1852[1]. Le spese di costruzione furono ripartite secondo la legge del 1842: 26 milioni di franchi sarebbero stati a carico dello Stato per l'acquisto dei terreni e la costruzione delle infrastrutture e degli edifici, da completare entro sei anni, e 10 milioni a carico della Società, per l'acquisizione di materiale rotabile e lavori di armamento, da mettere in esercizio entro un anno[2].
Nel 1854 furono previsti due percorsi: quello degli ingegneri statali, che seguiva il più possibile la costa passando per La Ciotat e un percorso alternativo proposto dalla Compagnia, che prevedeva il passaggio per Cuges e La Cadière, situati più all'interno, più economico e più breve di 6,2 chilometri. Il primo fu infine mantenuto, perché serviva una popolazione più numerosa del secondo e consentiva il servizio a La Ciotat che era diventato importante centro al servizio delle navi postali che servivano le rotte del Mediterraneo.[4].
Il portale Nord frl tunnel di Mussuguet
Questo primo tratto, lungo sessantacinque chilometri, ha richiesto grandi lavori, in particolare tra Aubagne e La Ciotat, con la realizzazione di importanti opere ingegneristiche, tra cui sei gallerie, una delle quali, la galleria Mussuguet, lunga 2.600 metri.
Il 25 ottobre 1858 fu aperta la linea tra Marsiglia e Aubagne.
Il secondo tratto di cinquanta chilometri, da Aubagne a Tolone, fu aperto a un solo binario il 15 marzo 1859 nonostante l'importanza dei lavori di genio civile da realizzare e riservato allo Stato francese, impegnato nella guerra in Italia. Il 27 marzo 1859 venne effettuata la prima corsa di prova da Marsiglia a Tolone: il treno giunse a destinazione alle undici del mattino dopo quattro ore di viaggio. Per accelerare la realizzazione i lavori furono proseguiti anche di notte. Il secondo binario entrò in servizio il 24 aprile per il trasporto militare e il 3 maggio per l'inizio di sfruttamento commerciale diventato regolare dal 28 maggio 1859. Il tragitto Marsiglia-Tolone richiedeva due ore e mezza, con dodici stazioni lungo il percorso[5].
La tratta Marsiglia-Tolone, lunga sessantasette chilometri, costata più di 41 milioni di franchi per la sua realizzazione, fin dalla sua apertura ebbe un grande successo: da luglio trasportò quindicimila passeggeri civili, cosa che spinse la Compagnia a istituire un servizio stradale da Tolone a Nizza, in attesa del prolungamento della ferrovia[6].
L'amministrazione della Marine nationale impose alla Compagnia anche la realizzazione a prezzo fisso di un nodo destinato a collegare l'Arsenale di Tolone alla linea ma, data la difficoltà nel collegare questo ramo alla stazione di Tolone, alla fine si decise di collegarlo a La Seyne-sur-Mer. Il 1 giugno 1860 l'arsenale di Tolone venne collegato alla linea attraverso un raccordo di 3,7 chilometri di proprietà dell'amministrazione marittima[7].
In seguito al crollo finanziario della Compagnie du chemin de fer Grand-Central de France e della costituzione della PLM, a quest'ultima società fu accordata la concessione di una possibile linea "da Tolone a Nizza"[3]. Un decreto imperiale del 3 agosto 1859 dichiarava di pubblica utilità il tratto della linea che collegava Tolone al confine italiano, allora situato sul fiume Var rendendo definitiva la concessione[8]. L'intero tracciato fu approvato nel 1860 e subito iniziarono i lavori. La Compagnia spese 23,5 milioni di franchi solo nel 1861. Nel 1862 lavoravano nel cantiere da 7.000 a 8.000 operai, per lo più piemontesi, belgi e tedeschi[9]. Il 1 settembre 1862 entrò in funzione la tratta da Tolone a Les Arcs dove la linea ha una diramazione in direzione di Draguignan autorizzata con decreto imperiale del 10 luglio 1862.
Con l'annessione della contea di Nizza alla Francia nel 1860, un decreto imperiale firmato il 22 agosto 1860 autorizzò l'estensione della sezione a Nizza[10].
Il 10 aprile 1863 fu inaugurata la tratta Les Arcs – Vence-Cagnes. La stazione di Nice-Ville richiese 60.000 m³ di terrazzamenti per completare il terrapieno della stazione e completare gli edifici, temporaneamente rallentati dalle difficoltà incontrate nella posa delle fondazioni. L'ultimo tratto da Vence-Cagnes a Nizza fu aperto a sua volta il 18 ottobre 1864. La monumentale stazione di Nizza, opera dell'architetto Louis-Jules Bouchot, si trovava allora in aperta campagna, a un chilometro dalla città.
Successivamente, nel 1871 e nel 1876 entrarono in servizio due diramazioni per servire rispettivamente Grasse e Hyères. La diramazione per Grasse era stata rivendicata dalla città, che temeva, per i suoi oli e profumi, la concorrenza di Nizza, divenuta francese; a Grasse avrebbero preferito il servizio lungo la linea principale ma questa avrebbe garantito solo un passaggio a 4,5 chilometri dalla città e 200 metri più in basso; inoltre le forti pendenze avrebbero aumentato anche il costo di costruzione della linea di 11 milioni di franchi.
Essendo la rete italiana in divenire, sembrava logico collegarsi ad essa estendendo la linea fino a Menton e al confine italiano. I lavori, difficili a causa dei rilievi, furono avviati dopo la firma di una convenzione internazionale tra i due paesi, il 7 maggio 1862, resa esecutiva con decreto del 9 giugno, con il quale il governo francese si impegnava a presentare entro il 1863 una proposta di legge per il prolungamento della ferrovia da Tolone a Nizza fino al confine, in relazione alla linea italiana da realizzare, essendo previsto il cambio di servizio a Ventimiglia. Il governo italiano avrebbe percepito un interesse del 5% sulle spese di costruzione, a vocazione internazionale, nella stazione di Ventimiglia degli edifici ad uso esclusivo delle ferrovie francesi e sulla metà di quelle relative agli edifici ad uso comune e avrebbe ricevuto inoltre, a titolo di pedaggio, i due terzi del gettito corrispondente al trasporto tra il confine e Ventimiglia.
Il passaggio della linea attraverso il Principato di Monaco fu autorizzato da un trattato firmato tra l'Impero francese e il Principato il 2 febbraio 1861. Questo trattato fu promulgato con decreto imperiale il successivo 13 febbraio.
La tratta di ventotto chilometri venne concessa alla Compagnie des chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée da un accordo tra il Ministro Segretario di Stato per il Dipartimento dell'agricoltura, del commercio e dei lavori pubblici e la società, firmato il 1 maggio 1863. Tale convenzione fu approvata con decreto imperiale l'11 giugno 1863. Alla Società fu versato un sussidio di diciannove milioni di franchi, costo stimato dell'infrastruttura, tredici milioni rimanenti a suo carico per la posa del binario e la realizzazione delle stazioni di tale linea, da mettere in esercizio entro tre anni, ad una data di apertura vicina a quella prevista per la linea italiana.
I lavori della tratta Nizza–Monaco iniziarono nel 1864 ma, interrotti da un inverno particolarmente rigido, entrarono in funzione solo l'anno successivo. Nel 1865 e nel 1866 furono impegnati in questa sezione venti milioni di franchi. Questa prima tratta fu aperta tra Nizza e la stazione di Monaco, all'ingresso del Principato il 19 ottobre 1868.
Nel 1866 fu avviata la costruzione del successivo tratto di nove chilometri fino a Mentone, raggiunta il 6 dicembre 1869, servendo l'intera costa francese da Marsiglia a 249 chilometri di distanza.
Nel 1868 i lavori proseguirono oltre Mentone, questa sezione non fu consegnata fino all'apertura della linea italiana.
Nel 1871 la linea costiera ligure raggiunse la stazione di Ventimiglia ed entro la fine dell'anno venne completato anche il collegamento con Menton, garantendo la continuità ferroviaria da Genova a Marsiglia. La stazione fu aperta ai viaggiatori nel gennaio 1872 sul versante italiano e il 18 marzo sul versante francese, oltre i tempi previsti, in quanto la lenta costruzione della linea italiana autorizzò un rallentamento dei lavori sugli ultimi chilometri. Il tratto tra Menton e Ventimiglia diventò il secondo collegamento ferroviario tra Francia e Italia. Una decina d'anni dopo il primo edificio in legno di Ventimiglia lasciò il posto a un fabbricato viaggiatori.
Il regolare aumento del traffico, in particolare nel periodo estivo, nonché il terreno impervio della linea, che richiede potenti locomotive per mantenere una velocità costante, hanno spinto la SNCF a proporre l'elettrificazione della linea. Inoltre, la precedente elettrificazione della linea da Parigi-Lione a Marsiglia-Saint-Charles, richiedendo la manutenzione di un parco vapore esclusivamente per questa linea non elettrificata, causava costi operativi significativi, poco accettabili in relazione alle scarse prestazioni del materiale.
Sebbene la linea tra Parigi e Marsiglia sia elettrificata a 1,5 kV in corrente continua si scelse di alimentare la linea in corrente alternata a 25 kV in quanto gli studi dimostrarono la convenienza, sia economica che tecnica, di questa soluzione. Essendo le due estremità della linea elettrificate a 1.500 V, i TGV, i locomotori e le elettromotrici che transitano su questa linea devono quindi necessariamente essere “bicorrente”.
Le varianti di Monaco: in blu realizzata tra il 1958 e il 1964 e in verde la seconda variante costruita tra il 1993 e il 1999
L'elettrificazione della linea era stata prevista all'inizio del XX secolo dalla Compagnie des chemins de fer de Paris à Lyon et à la Méditerranée (PLM), società che aveva elettrificato, in via sperimentale nel 1910, la tratta tra Grasse e Mouans-Sartoux, a 12 kV – 25 Hz, per sperimentare prototipi di locomotive. Oggi, tutte le vestigia di questa elettrificazione sperimentale sono scomparse, con la rielettrificazione a 25 kV – 50 Hz (nell'ambito della riapertura della linea tra Cannes e Grasse).
Un'elettrificazione della tratta da Ventimiglia a Mentone, in 3.700 V trifase alla frequenza di 16 ²⁄₃ Hz, fu realizzata durante la seconda guerra mondiale dagli occupanti italiani. La stazione di Menton fu ribattezzata Mentone, e la stazione di Menton-Garavan divenne Mentone Garibaldi; tutti questi impianti però furono distrutti durante i bombardamenti che colpirono la regione nel 1944, e questo tratto di linea rimase non elettrificato fino al 1969, così come la linea dal Tenda, anch'essa elettrificata in trifase 3.700 V a bassa frequenza e oggi rielettrificata a 3.000 V in corrente continua, tra Cuneo e Limone Piemonte.
La messa in servizio dell'elettrificazione è avvenuta nelle seguenti date:
Tra il 1958 e il 1964 la deviazione del tracciato attraverso il Tunnel di Monte Carlo, lungo oltre 3.491 metri, ha consentito al Principato di recuperare terreno e avviare alcuni importanti interventi urbanistici dando vita al quartiere Larvotto, sul sito dei 51.000 m² di terreno dell'ex piattaforma ferroviaria con la soppressione nel 1965 della stazione di Monte Carlo al servizio dell'omonimo quartiere. In seguito della dismissione della stazione di Monte Carlo la stazione di Monaco, la prima stazione ferroviaria del Principato di Monaco, a servizio della capitale del principato, prese la denominazione di Monaco-Monte Carlo. Successivamente, dall'ottobre 1993 alla fine del 1999, venne realizzata una nuova deviazione in galleria che permise l'attraversamento del Principato interamente in sotterraneo, con la realizzazione di un'unica stazione sotterranea a tre binari. Questo nuovo intervento ha consentito di liberare altri quattro ettari di terreno, oggetto di un piano urbanistico con la realizzazione di 135.000 m² abitativi.
La linea, lunga 259 km, collega Marsiglia a Ventimiglia seguendo la costa, tranne in prossimità delle catene montuose dove il rilievo impone di allontanarsi dalla costa. Nonostante corra principalmente in prossimità del mare, presenta rampe che raggiungono l'8‰, a causa di un rilievo particolarmente tormentato, in particolare tra Nizza e Ventimiglia. Per lo stesso motivo il tracciato comprende quasi diciotto chilometri cumulativi di gallerie.
La linea è due binari. Esiste un tratto a quattro binari tra il raccordo di Chartreux, con cui si collega alla Marsiglia-Parigi, fino a Marseille-Blancarde; da lì la linea prosegue a tre binari fino alla stazione di Aubagne. Un altro breve tratto a tre binari si trova in Costa azzurra, tra le stazioni di Antibes e Cagnes-sur-Mer.
In seguito alla crescita demografica della Costa Azzurra questa linea supporta un intenso traffico passeggeri, (in particolare TERProvence-Alpes-Côte d'Azur, con un servizio extraurbano da Grasse a Ventimiglia proveniente dalla linea da Cannes-la-Bocca a Grasse — e TGV) che, assommandosi al trasporto merci, la porta ad una situazione prossima alla saturazione.
A causa di queste difficoltà di accesso per ferrovia, il trasporto aereo è molto importante in questa regione: l'aeroporto di Nizza Costa Azzurra è il primo aeroporto provinciale francese, e il collegamento da Parigi Orly a Nizza è il principale collegamento aereo francese in termini di numero di passeggeri. Ci vogliono più di 5 ore e mezza per raggiungere Nizza da Parigi in TGV, mentre Marsiglia dista solo tre ore dalla capitale; la quota modale della ferrovia è quindi solo del 31% su questo collegamento. Nasce così il progetto della nuova linea Provence-Côte d'Azur.
La linea è elettrificata in corrente alternatamonofase a 25 kV e 50 Hz, tranne che ai suoi due estremi, dove è in corrente continua (1,5 kV), da Marseille-Saint-Charles al punto chilometrico (PK) 5+450 (tra la stazione di Marseille-Blancarde e La Pomme) e dal punto chilometrico PK 257+475 (dopo il confine italiano) a Ventimiglia, per poters
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