Ce complexe ne se trouve pas sur la Côte Bleue, mais sa desserte ferroviaire se fait maintenant exclusivement par la section Miramas - Lavalduc de la ligne de la Côte Bleue.
Au milieu des années 60, face à la saturation du port de Marseille et pour développer l'industrie aux alentours, est prise la décision d'aménager 7290 hectares situés autour du golfe de Fos sur Mer, dont 5300 réservés aux industries. Le Port Autonome de Marseille est officiellement créé le 1er avril 1966, trois darses avec au total une trentaine de kilomètres de quais sont prévues et bien sûr, de nouvelles voies ferroviaires pour desservir ce nouveau port. Si l'on exclut les grands triages, à usage uniquement propre à la SNCF, et la déviation de Serre-Ponçon suite à la création du barrage, il s'agit de la première création de nouvelles voies ferrées en France depuis la Seconde Guerre Mondiale.
Cette implantation fait suite à la création de la gare maritime et du port de Caronte la Gafette dans les années 20
Dès le début des années 70, une douzaine de trains complets de carburants ou minerais circulent chaque jour, et l'implantation d'industries lourdes est prévue (sidérurgie, pétrochimie...). Aussi, les installations ferroviaires doivent être agrandies dès 1973 :
En parallèle, une deuxième darse destinée au trafic conteneurs est construite en 1973 à l'Ouest au lieu dit "Graveleau", à proximité de Port St Louis du Rhône, où l'établissement d'un port avait été lancé dès la fin du XIXème siècle. A partir de 1978, de nouvelles activités se sont implantées sur la partie Ouest du complexe portuaire, avec une darse N°3 ("quai de Brûle Tabac" ou "bassin du Gloria") comportant un terminal polyvalent et un espace de stockage de voitures neuves, et, au sud de Port St Louis, des silos à céréales, un autre terminal pour voitures neuves et colis.
Leur desserte ferroviaire repose sur la ligne Arles - Port St Louis, qui à cette occasion connaît également des aménagements :
Dès lors, le complexe du Port Autonome de Marseille - Fos se compose de deux réseaux séparés, un articulé autour de la ligne Miramas - Port de Bouc - L'Estaque (ligne de la Côte Bleue), l'autre autour de la ligne Arles - Port St Louis.
| Chantier | Expéditions | Réceptions |
| Fos Coussoul | 4 510 000 t | 694 400 t |
| Fos Graveleau | 207 700 t | 434 600 t. |
| Port St Louis du Rhône | 97 600 t | 243 600 t. |
Au début des années 80, le trafic avait fortement augmenté, la ligne du môle minéralier (darse 1, embranchée à Coussoul) était proche de la saturation, et le transit via Arles des Chantiers de Graveleau et Port St Louis devenait problématique tant en temps qu'en débit et en manœuvres (de dix trains par jour ouvré en 1978, elle était passée à 16 en 1982) vu les installations obsolètes de la ligne d'Arles.
A moyen terme, l'extension prévue des darses 1 et 2 et le creusement d'un canal entre Fos et le Rhône allaient occasionner encore de grands travaux d'aménagement impactant le complexe ferroviaire, et plus particulièrement la ligne Arles - Port St Louis, pour laquelle de très gros travaux étaient à prévoir : renouvellement de la voie, du ballast et de la signalisation, construction d'évitements supplémentaires et d'un pont pour franchir le nouveau canal du Rhône à Fos avec grand tirant d'air d'où une modification du profil en long de la ligne sur plusieurs kilomètres, sans compter l'électrification décidée depuis le milieu des années 70.
Face à ce constat, une décision radicale a été prise : abandonner la ligne Arles - Port St Louis et moderniser à nouveau l'itinéraire via Lavalduc pour assumer l'augmentation de trafic tout en simplifiant les dessertes.
Ces nouvelles voies ont été mise en service le 7 décembre 1982 en traction thermique.
Dans la foulée des électrifications des lignes de la rive droite du Rhône et d'Avignon - Miramas via Cavaillon, réalisées quelques années auparavant, les voies principales, et une partie des faisceaux et embranchements portuaires ont été équipés de caténaires 1500 V continu. La mise sous tension eut lieu le 18 mai 1983, avec inauguration le 26 mai (BB 22320) et début d'exploitation commerciale le 29 mai, ce qui simplifia l'exploitation et désengorgea le complexe de Miramas en supprimant la grande majorité des relais traction qui y avaient lieu jusqu'à présent.
Le complexe comporte trois sous-stations, et est également alimenté par celle de Miramas. A noter que certaines voies ont une caténaires simplifiée, à un seul fil de contact ; d'autres ont des potences spécifiques du fait du sol sablonneux (portiques en treillis). Certains passages à niveau ont aussi une caténaire démontable ou sont dépourvus de caténaires afin de permettre le passage de convois exceptionnels.
Le milieu des années 80 coïncida avec l'apogée du trafic ferroviaire dans le complexe : la mise en service de pipelines et oléoducs vers Lyon et l'Allemagne, la part croissante du transport par la route ainsi que le recul de l'activité du port ont entraîné une réduction du trafic acheminé par voie ferrée. Les projets de relance du port, avec une extension spécialisée dans le trafic en conteneurs (Fos 2XL en 2012, Fos 3XL et 4XL en projet) devraient occasionner un regain de trafic, désormais en partie assuré par des opérateurs privés.
Le bac de Barcarin a cessé son activité le 17 mars 2006, et ses installations ferroviaires sont depuis démantelées. Certains embranchements sont très peu utilisés, d'autres voient même leur caténaire volée. En revanche, depuis 2010, les trains d'ordures auparavant dirigés vers la décharge d'Entressen sont maintenant acheminés vers la nouvelle usine de traitement construite dans le port de Fos.
Des navettes pour conteneurs entre Fos sur Mer et Marseille Mourepiane, reliant les moitiés Ouest et Est de l'ensemble portuaire, vont être mises en place à partir de 2015 par l'opérateur Regiorail, certains d'entre elles emprunteront la ligne de la Côte Bleue. Une modernisation de la signalisation (pose du Bloc Automatique à Permissivité Restreinte entre Coussoul et Graveleau) et un renouvellement voie-ballast sont également prévus pour 2016.
Malgré sa construction récente, le complexe ferroviaire de Fos a connu la traction à vapeur ; le dernier train tracté par une 141 R entre Fos et Miramas roula en avril 1971.
Présentes dès le début, les BB 63500, 66000, 66600, 67000 puis 67400, principalement des dépôts de Nîmes et Avignon voire Marseille Blancarde, ont également continué à être visibles après l'électrification. Au milieu des années 2000, ce furent des BB 69200 et 75000 qui prirent leur relève, ensuite rejointes par des engins des opérateurs privés (Euro 4000, Class 66, Vossloh G 1206 et G2000...). Des BB 60000 et 75300 ont aussi été introduites en 2015 par Fret SNCF.
A noter que l'aciérie Sollac (aujourd'hui Arcelor-Mittal) a acquis au début des années 70 dix-huit locomotives Diesel de construction soviétique pour usage dans au sein de l'usine, notamment pour manœuvrer des wagons poche contenant de la fonte en fusion. Une partie de ces engins (six ?) est encore en service actuellement.
En 1983, lors de l'électrification, le complexe fut d'emblée parcouru par des BB 7200 PV et GV, 8100, 9400, CC 6500, 7100 (il ne semble pas y avoir eu de 2D2 9100, en fin de carrière et alors utilisées principalement sur les trains de messageries), ces machines en partie libérées par l'arrivée du TGV Sud Est continuant ensuite vers Toulouse ou la région lyonnaise. Ensuite, des BB 8500, 22200, 26000, puis au début des années 2000 les BB 27000 et 37000 remplacèrent les séries les plus anciennes.
Trois BB 300 ont également été dédiées aux manœuvres dans le complexe de 1987 à 1997 entre le chantier de Coussoul et les différents faisceaux du site, avant d'être remplacées par des Diesels.
Aujourd'hui sont visibles des BB 7200 PV, 26000, 27000, 37000 et des engins des opérateurs privés (E37500 et BR 186 ECR).
Les entreprises embranchées sont à l'origine d'un trafic marchandises très important et diversifié, bien qu'ayant régressé par rapport aux années 70 / 80 :
La société FERRIFOS, dont l'embranchement se trouve à proximité du faisceau de Fos Coussoul, est spécialisée dans l'entretien de wagons, ce qui génère donc un trafic de matériel vide. Par le passé, cette entreprise a également réalisé des prestations en sous-traitance pour l'atelier SNCF de Béziers : ainsi, des BB 8500 et 9400 (notamment lors de leur transformation en BB 9600) y ont été expédiées pour grenaillage de la caisse, et renvoyées en peinture d'apprêt (caisse entièrement rouge, jaune, grise...).