Les et est signée une convention entre le ministre des Travaux publics et les compagnies des chemins de fer de Paris à Saint-Germain, de Paris à Rouen, de Rouen au Havre, de l'Ouest, de Paris à Caen et à Cherbourg. Cette convention organise la fusion de ces compagnies au sein de la Compagnie des chemins de fer de l'Ouest. En outre, elle concède à titre définitif à la compagnie « un embranchement sur la ligne de Mézidon au Mans, à partir d'un point soit de la ligne de Paris à Caen, soit de la ligne de l'Ouest[2] ». Cette convention est approuvée par décret impérial le [3].
Créant une nouvelle liaison entre les chemins de fer de Paris à Rennes au sud et de Paris à Cherbourg au nord, elle dessert le sud agricole de la Normandie, restée jusqu'alors à l'écart des dessertes ferroviaires. La ligne traverse une région relativement vallonnée, formée de plateaux calcaires entaillés par des rivières. La traversée de ses vallées successives confère à la ligne un profil en dents de scie. En 1860, les travaux sont lancés en plusieurs points ; ils sont ralentis en 1862 par l'étude de la traversée difficile de la ville de L'Aigle, étalée dans la vallée de la Risle. La ligne atteint Dreux en , puis L'Aigle en et enfin Surdon en . Une seconde ligne d'Argentan à Granville par Flers et Vire, concédée par le même décret du , complète la précédente.
Bifurcation de Bois-Gazé à Saint-Cyr-l'École, à gauche vers la gare de Saint-Cyr, à droite (pour les trains de fret seulement) vers la gare de Saint-Quentin-en-Yvelines.La ligne à Méré, au passage à niveau n° 13 (PK 43,548).
Le premier tronçon de Saint-Cyr à Dreux (59 kilomètres) est mis en service le . Quatre services quotidiens assurent la liaison avec Paris en deux heures quarante minutes[4].
Au départ de Saint-Cyr-l'École, le tracé est établi sur d'importants remblais de 146 000 et 216 000 m3, sur une longueur de six kilomètres, puis se rapproche de la vallée de la Mauldre. Il traverse plus loin la vallée de la Vesgre par un remblai de 224 000 m3 et de quinze mètres de hauteur. Peu avant Dreux, la ligne franchit la vallée de l'Eure à Cherisy par un viaduc en maçonnerie de dix-sept mètres de haut, formé de cinq arches de quinze mètres d'ouverture, prolongé par un remblai de quatorze à quinze mètres de haut et constitué de 278 000 m3 de terre[4].
Le second tronçon de la ligne relie Dreux à L'Aigle, distantes de soixante kilomètres. Après Dreux, la ligne se poursuit, sans sinuosités notables mais avec un profil accidenté, sur le plateau calcaire argileux. Elle coupe les vallées de l'Avre, de l'Iton puis de la Risle (ou Rille). Les travaux, démarrés en 1862, rencontrent quelques difficultés, avec une suspension de plusieurs mois à la suite d'un désaccord sur la dimension à donner à deux ouvrages franchissant des chemins vicinaux, et sont ralentis par des retards de mise à disposition des terrains, les propriétaires en interdisant l'accès avant les décisions du jury d'expropriation. L'édification des bâtiments des stations débute en 1864. Le tronçon est mis en service le : quatre omnibus quotidiens atteignent L'Aigle en quatre heures quinze minutes[5].
Le troisième tronçon relie L'Aigle à Surdon, sur quarante-et-un kilomètres. Il côtoie et traverse plusieurs fois la Risle, franchit le faîte des Authieux par des tranchées et descend vers la vallée de l'Orne. La ligne approche le village de Surdon, et se joint trois kilomètres plus loin à la ligne du Mans à Mézidon, où une gare de correspondance est prévue, sans ouverture au service voyageurs. Les travaux de terrassements ainsi que les ouvrages d'art sont adjugés dès et sont rapidement engagés. Mais leur avancée est là encore perturbée par des retards dans la mise à disposition des terrains. Ces travaux s'achèvent en 1866 et la pose des voies ainsi que la construction des gares est engagée[6]. Ce tronçon est ouvert le : les trains en provenance de Paris-Montparnasse atteignent Argentan au bout d'un voyage de 197 kilomètres durant six heures environ.
La ligne connaît une rapide hausse de fréquentation, en particulier grâce aux correspondances assurées vers Le Mans et Mézidon, trafic en partie gagné sur les lignes de Paris-Montparnasse à Brest et de Mantes-la-Jolie à Cherbourg. Dès 1868, ce trafic nécessite l'agrandissement des gares de marchandises et des dépôts des machines. Du au , la Compagnie dépense 58 millions de francs à la construction de la ligne[6]. L'ouverture de la ligne d'Argentan à Granville par étapes entre 1866 et 1870 permet aux trains de relier Paris à Granville en passant par la ligne de Saint-Cyr à Surdon.
Le déclenchement de la guerre franco-prussienne de 1870 perturbe rapidement la ligne : dès le , le service est interrompu entre Saint-Cyr et Dreux, puis entre Saint-Cyr et Nonancourt le 21 et sur toute la ligne enfin le . Les circulations reprennent progressivement[7].
Les vitesses limites de la ligne en 2012 pour les autorails X 72500, les trains V 160 ainsi que les automotrices de type Z 2N (jusqu'à Dreux), en sens impair, sont indiquées dans le tableau ci-dessous ; toutefois, les trains de certaines catégories, comme les trains de marchandises, sont soumis à des vitesses limites plus faibles[8].
À la suite de la mise sur route du trafic TER, certaines gares énumérées dans le schéma de ligne ne sont plus desservies par des trains de voyageurs en service normal. Les gares ci-dessous ne sont plus desservies par des trains, mais peuvent être desservies par des autocars TER, ou bien par un service de transport à la demande.
↑« Convention relative à la fusion des chemins de fer normands et bretons », Bulletin des lois de l'Empire Français, Paris, Imprimerie Impériale, xI, vol. 5, no 292, , p. 818 - 828 (lire en ligne).
↑« N° 2877 - Décret impérial qui approuve la convention passée, les 2 février et 6 avril 1855, entre le ministre de l'Agriculture, du Commerce et des Travaux publics, et les Compagnies du chemin de fer de Paris à Saint-Germain, de Paris à Rouen, etc : 7 avril 1855 », Bulletin des lois de l'Empire Français, Paris, Imprimerie Impériale, xI, vol. 6, no 313, , p. 57 - 58 (lire en ligne).
↑ a et bFrançois et Maguy Palau, Le rail en France - Tome III, 1864 - 1870, p. 12.
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