Le premier tronçon de la ligne Lausanne – Genève va de la gare de Renens à celle de Morges. Il est mis en service le par la compagnie de l'Ouest-Suisse. Une année plus tard, le , le tronçon est étendu jusqu'à la gare de Lausanne depuis celle de Renens, toujours par la compagnie de l'Ouest-Suisse[1].
De l'autre côté de la ligne, le , le tronçon de Genève-Cornavin à la gare de La Plaine est mis en service par la compagnie du chemin de fer de Lyon à Genève. Cette même année, la compagnie de l'Ouest-Suisse étend la ligne en direction de Genève depuis Morges en mettant en service un tronçon jusqu'à Coppet le et une semaine plus tard, le , jusqu'à Versoix. Deux mois plus tard, le , le chemin de fer Genève-Versoix met en service le tronçon du même nom[1]. La ligne Lausanne – Genève est alors complète.
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Il est prévu dans le cadre d'amélioration de la ligne, d'installer une quatrième voie entre les gares de Renens et Lausanne. Cela permettra de pousser au quart d'heure la cadence du RER vaudois. Il est prévu que cette voie soit mise en service en 2023. Les coûts sont estimés à 210 millions de francs avec une marge d'incertitude de ± 30 %[4]. En parallèle à ce projet, il est prévu de construire un saut-de-mouton entre Prilly-Malley et Renens. Il s'agit d'une voie qui en enjamberait deux. Ce saut-de-mouton serait destiné aux lignes Cully-Cossonay du RER vaudois ainsi qu'aux IC arrivant depuis Berne et circulant en direction de Genève. La mise en service est prévue pour 2023 pour un coût estimé à 260 millions de francs avec une marge d'incertitude de ± 30 %[5].
Les enclenchements dans le nœud de Lausanne doivent être remplacés d'ici 2020. Il s'agit des enclenchements de Lausanne, Malley, Sébeillon et Renens. Cela permettra une banalisation intégrale du trafic et un temps d'écart de 2 minutes entre chaque train sur une même voie. Ce projet implique aussi de moderniser le centre de l'exploitation à Lausanne et de créer et transformer les locaux techniques liés. La mise en service est prévue entre 2016 et 2019 pour un coût estimé à 160 millions de francs avec une marge d'incertitude de ± 30 %[6].
La construction d'une 3e voie entre Genève et Coppet a permis de séparer le trafic régional du trafic national et ainsi d'augmenter l'horaire à la demi-heure. Ce dernier doit être poussé au quart d'heure dès la mise en service du CEVA. Cela implique de créer deux points de croisement aux gares de Mies et Chambésy ainsi qu'une nouvelle liaison de voies à la gare de Cornavin. Les haltes entre Genève et Coppet doivent être réaménagées avec une extension des quais à 220 m et les installations de sécurité modernisées et adaptées. Les coûts sont estimés à 210 millions de francs avec une marge d'incertitude de ± 20 %[7].
Entre 2016 et 2017, une voie centrale de dépassement fret entre Founex et Coppet devrait être construite. Les coûts sont estimés à 73 millions de francs[8].
À la gare de Genève-Cornavin, le scénario de prévision ZEB estime l'augmentation de la demande sur la ligne à 120 % de plus en 2030 par rapport à 2007. Notamment par l'augmentation du réseau RER et l'ouverture de la ligne CEVA. Pour éviter une saturation de la gare, il est prévu de créer deux voies de plus (en surface ou en souterrain) et de séparer les trafics selon les trois catégories suivantes :
le trafic international qui arrive depuis la France via La Plaine ;
Cela permettra à la gare de voir s'arrêter jusqu'à 56 trains par heure. L'objectif de mise en service est prévu entre 2020 et 2025 et les coûts sont estimés au moins 835 millions de francs[9].
