Intégralement située sur la commune de Marseille, cette ligne a été constituée en plusieurs fois, ses différentes parties ne bénéficiant d'un raccordement direct que récemment. Elle est liée au développement du port de Marseille durant la seconde moitié du XIXème siècle, avec le creusement de bassins à grand tirant d'eau au Nord du Vieux Port. Plusieurs chantiers marchandises furent établis pour desservir notamment les différents bassins et les industries qui s'établirent dans les terrains adjacents, formant un complexe appelé "Marseille Maritime" et venant s'imbriquer au sein du complexe ferroviaire marseillais.
La gare maritime de la Joliette assurant un grand trafic voyageurs en correspondance avec les paquebots pour l'Afrique du Nord jusqu'en 1962, avant d'être fermée et de voir ses installations supprimées au début des années 90 (fermeture en 1992 semble-t-il). Il y eut également un déclin également côté marchandises à partir du début des années 70 suite à la création du port de Fos sur Mer. Aujourd'hui, seule la section L'Estaque - Arenc garde un trafic marchandises dirigé vers les différents chantiers portuaires, un silo et la gare du Canet.
Suite à la mise en service du raccordement direct de la Joliette puis à la création de la halte d'Arenc Euroméditerranée, la ligne connaît une hausse de la desserte TER, ce qui permet de désengorger la ligne principale au prix d'un temps de parcours rallongé. Elle n'est accessible que depuis les trois voies courtes L, M et N de la gare St Charles et est principalement empruntée par les trains empruntant ensuite la ligne de la Côte Bleue ; quelques trains pour Miramas via Rognac utilisent également cet itinéraire appelle à prendre encore davantage de trafic dans les prochaines années.
A partir de son ouverture en 1896-97, la gare d'Arenc comportant un triage et dépôt fut fréquentée par des locomotives à vapeur 030, 031 et 030 T pour le fret et les manœuvres. Plus tard des 140, 240, 040 T et 050 T furent aussi visibles, notamment vers la gare maritime. Après guerre, des machines débarquées par les Alliés y firent leurs premiers tours de roues sur le sol français, avec des 140 U puis 141 R (dont les premières arrivées en France, en novembre 1945).
Pour les manœuvres, des Diesels de construction américaine 040 DA (futures A1A-A1A 62000) y apparurent dès 1946, suivies par des 030 DA (futures C 61000), ces engins étant affectés au dépôt d'Arenc, puis transférés à celui de St Charles en 1951.
Après l'électrification, les engins visibles en trafic marchandises furent
ceux fréquentant le complexe ferroviaire marseillais : CC 7100, BB 9200, 7200,
22200... S'y ajoutent des machines de manœuvre BB 63000 / 63500 et
locotracteurs.
Aujourd'hui le fret est principalement assuré en BB 26000 ou 27000 / 37000 et
engins des opérateurs privés, tandis que les manœuvres sont faites en Y 8000 ou
par des dérivés des BB 63000 appartenant à Europorte.
Lors des détournements de 1994 - 1996, la ligne a été fréquentée par des TGV Sud Est, voire Atlantique !
Concernant le matériel utilisé en service TER, la desserte actuelle met en jeu des B 81500, BB 25500 ou 22200 RC ou 67400 + RIO/RRR, et plus rarement X 72500, X 76500 et rames Corail associées à des BB 22200 ou 7200.
L'origine du kilométrage est toujours Paris gare de Lyon, via Dijon, Lyon, la rive gauche du Rhône, Arles et Rognac.
L'antenne St Charles - La Joliette
(km 2,9) disposait de son propre bornage, à partir de St Charles.