Concédée sous le régime de la loi de 1865 sur les Chemins de Fer économiques à la Compagnie du Chemin de Fer d'Orléans à Rouen constituée par des notables locaux avec le soutien des Chambres de Commerce, la ligne Rouen ~ Orléans a été ouverte au trafic le 18 Mai 1873.
Confiée à l'Ouest puis à l'Etat suite à la faillite de l'Orléans ~ Rouen en 1877, elle a fait partie du Réseau Ouest de la SNCF. En 1951, le déclin commence avec la fermeture au trafic voyageurs, puis à tout trafic en 1989. L'électrification de Paris ~ Caen ~ Cherbourg en 1996 coupe la ligne de tout raccordement avec la SNCF et entraîne son déclassement.
Confiée au Département de l'Eure, elle est ré-ouverte au trafic touristique en 1997 entre Pacy et Breuilpont, exploitée par l'Association CFVE. Le centre de l'exploitation se situe en gare de Pacy-sur-Eure où une importante collection de matériels divers appartenant à l'Association ou confiés par des tiers est visible dans le cadre d'une présentation de Chemin de Fer d'autrefois.
En 1998, une réouverture partielle de la section Ouest de Pacy à Cocherel, l'aménagement du terminus de Breuilpont et la remise en service de nouveaux matériels ont été réalisés.
Chaque année, de nouveaux matériel sont rénovés. En 2003, la gare de Pacy a été entièrement restaurée par la municipalité afin d'améliorer l'accueil des visiteurs.
Pour la saison 2005, une nouvelle section de ligne devient accessible au public avec l'ouverture du tronçon Cocherel ~ Chambray.
