Entre Chartres et Saint-Arnoult, les projets de terrassement sont approuvés dès le 25 octobre 1904. Les expropriations et l'acquisition des terrains commencent en 1905, et les viaducs de Saint-Arnoult, de Gourville, de Bleury, d'Oisème et de Chartres sont entrepris en 1907. Les travaux sont pratiquement terminés de Chartres à Gallardon en 1914, puis de Chartres à Saint-Arnoult en 1917.

  Sur la section Paris - Saint-Arnoult, le tracé est modifié à plusieurs reprises pour répondre aux exigences des municipalités, et le projet définitif n'est entériné  que le 18 janvier 1910.  La première adjudication des travaux date de décembre 1911.

  A la fin de la guerre, une pénurie en acier se fait sentir. Les autorités militaires font alors déposer entre le 28 mai et le 13 novembre 1918 une des deux voies entre Saint-Arnoult et Chartres. Elle ne sera jamais reposée après la guerre.

  En 1919, les travaux reprennent tant bien que mal malgré les grèves et les difficultés d'approvisionnement. La voie unique (il n'était plus question d'une double voie depuis longtemps !) atteint Rochefort en 1921, Limours en 1922, et l'on commence les travaux du dépôt de Montrouge-Châtillon, achevé en 1926.

  En 1929, la question de l'achèvement de la ligne de Paris à Chartres devient aigüe, notamment en ce qui concerne la section comprise entre Limours et Bagneux, où tous travaux sont interrompus depuis 1917, et pour laquelle le ministre des Travaux Publics refuse de débloquer de nouveaux crédits. Le réseau de l'Etat suggère alors de considérer le tronçon Paris-Massy comme étant une "ligne urbaine" à prendre en charge et à achever par la Ville de Paris ou ses concessionnaires. Soumise au Conseil Economique, la proposition est approuvée, et les travaux sont achevés en un temps record sur la section Limours-Massy.

  Le 15 mai 1930, la ligne Chartres-Massy est ouverte et les premiers trains circulent. L'Etat estime alors "le passé à peu près liquidé".

  Les travaux sont repris en 1931, et la plate-forme pour deux voies est prolongée de Massy à Châtenay. Et l'on en reste là ! Le dépôt de Montrouge-Châtillon est en service, relié à la gare Montparnasse, mais il reste une lacune de 2 km entre Châtenay et Bagneux, où aucun travaux n'ont été effectués, bien que les terrains soient toujours réservés.

  Faute d'express et de rapides en provenance de Bordeaux, Niort, La Rochelle ou Royan, la ligne de Massy à Chartres ne connaîtra que trois omnibus quotidiens, constitués de trois ou quatre voitures remorquées par des 131 tender d'origine Ouest, reliant Massy à Chartres en deux heures. Une petite 030 de type "Bourbonnais" d'origine bavaroise, la 030-911 du dépôt de Chartres, est utilisée pour la desserte marchandises, équipée à cette fin d'un compresseur et de réservoirs d'air. Le fait que le réseau de l'Etat ait affecté cette petite machine démodée et de faible puissance en dit long sur la faiblesse du trafic marchandises de la ligne !

  Mais si la Ligne de Paris à Chartres par Gallardon n'a jamais connu de "grands trains", elle s'est rendue célèbre par les essais de prototypes. Son profil facile s'y prêtait, ainsi que l'absence quasi-générale de passages à niveau et l'équipement, moderne à l'époque, d'une commande centralisée des signaux.

  En juin 1931, Raoul Dautry, alors directeur du réseau de l'Etat et célèbre pour ces idées novatrices, accepte de prêter à Michelin une partie de la ligne pour qu'il puisse effectuer des démonstrations publiques de sa fameuse Micheline. En juin 1931, trois types de Michelines circulent entre Saint-Arnoult et Coltainville.

Deux prototypes Michelin en gare de Saint-Arnoult.

  En 1933, un autre prototype non moins célèbre est essayé sur cette ligne: l'autorail Bugatti, rapidement dénommé "Présidentiel". Pendant quelques mois, cette ligne est le point de rencontre privilégié des directeurs des grands réseaux français, des industriels, mais aussi des journalistes qui en font une description exhaustive dans leurs nombreux articles.

Un autre prototype Michelin en gare de Coltainville.

  Cependant, cette célébrité apparente est de courte durée. L'instabilité économique des années 30, la nécessité pour le réseau de l'Etat de réduire les dépenses suite au rachat de la compagnie de l'Ouest, le quadruplement partiel et l'électrification de la ligne Paris-Le Mans ne permettent pas de réaliser le tronçon manquant.

  En 1939, la guerre éclate. Les trains de voyageurs sont supprimés en septembre 1939, et la ligne est utilisée par les Allemands pour leurs convois militaires, notamment après la destruction du viaduc de Maintenon sur la ligne Paris-Chartres par Versailles. Au moment du Débarquement, elle est alors la cible privilégiée de l'aviation alliée et de la Résistance, et les viaducs de l'Yvette, de Limours et de la Renarde sont détruits en mai et juin 1944. La dépose des voies est aussitôt réalisée entre Massy et Gallardon, et la section est déclassée par décret du 28 novembre 1953.

  Une occasion a sans doute été perdue de lancer à travers le sud-ouest de l'Ile de France une ligne de banlieue dont le trafic n'aurait pu que se densifier. Paradoxalement, cela nous permet d'admirer aujourd'hui de jolis villages comme Rochefort-en-Yvelines qui ont conservé tout leur cachet sans être abâtardis par l'urbanisme galopant de la deuxième moitié de ce siècle...