Dans le sillage de l’équipement global en courant continu 1,5 kV de l’axe Lyon – Marseille achevé jusqu’à Loriol, au sud de Valence, l’étape suivante va se dérouler sur la rive gauche du Rhône pour atteindre le noeud d’Avignon. En Provence-Alpes-Côte d’Azur elle débute au Km 689 où pour les besoins du canal de dérivation du Rhône, une déviation de tracé sur 300 m en aval de Bollène-la-Croisière, nécessite la création d’un pont-rail. Grâce à l’amélioration de la géométrie de la voie, la vitesse peut être portée de 120 à 140 km/h et le BAL installé à la place du block manuel ex-PLM. Des voies de garage à entrée directe sont aménagées dans les deux sens à Bollène, Orange, Sorgues, dans le sens pair à Bédarrides et au Pontet. La transformation de la gare d’Avignon s’accompagne d’un PRS central avec allongement des quais des cinq voies principales, vitesse de passage portée de 30 à 90 km/h, création de deux voies 1 bis, 2 bis réservées au trafic marchandises avec saut-de-mouton supérieur au sud pour la voie 1 Marseille, déplacement de la voie 2 vers le Rhône, modification de la soudure du raccordement vers Villeneuve-lès-Avignon pour établir le nouveau triage RA de Champfleury (3) composé de sept voies de réception de 600 m, d’un plateau de débranchement de 24 voies de 600 m prolongé par des tiroirs de formation jusqu’au pont sur la Durance, avec poste à billes, exploité en parallèle avec l’électrification mise sous tension le 23 juillet 1959. Laquelle couvre tout ce domaine et en plus l’accès au chantier de Fontcouverte et le raccordement direct d’Avignon ainsi que plusieurs voies du dépôt.
La traction électrique accapare aussitôt l’ensemble du trafic voyageurs noble avec usage des 2D2 9100 et des nouvelles BB 9200 en cours de réception à Portes (mais destinées à Avignon), l’échange provisoire systématique de mode de traction assorti de gains de temps vers Marseille et Nîmes ayant lieu dans cette gare.
Les courses omnibus sont provisoirement conservées en autorails. Les trains du RA remorqués avec des BB 9200 et bientôt par des BB 9400 affectées neuves en Avignon sont traités dans de bonnes conditions sur le site de Champfleury. Les premières vont assurer le célèbre 46526 Flèche-des-Halles, puis le Provence- Express à destination de Paris-Bercy qui sera autorisé à 120 km/h.
Ceux du RO confiés aux BB 8100 sont relayés à Fontcouverte. Notons que ce chantier flanqué d’un terminal spécialisé reçoit un premier convoi TAC issu de Paris, formule qui va se développer les saisons suivantes avec des trains venant de Liège, Amsterdam, Étaples, Dieppe, Metz, Strasbourg, Zurich, Düsseldorf. Leur clientèle pourra de là rayonner dans toute la Provence et joindre le Languedoc.
Dès 1923, la compagnie exploitante PLM envisage l’électrification de la ligne impériale. Toutefois, le choix du type d’installation nécessite des expérimentations sur plusieurs lignes secondaires qui ont servi de laboratoire.
Outre les études de faisabilité menées durant les années 1930, le projet d’électrification est approuvé le 7 août 1944 avec commencement des travaux en 1946.
La totalité de la ligne est électrifiée en 1500 V continu depuis 1962, avec mise en service depuis 1949 suivant les tronçons, aux dates suivantes:
* 12 décembre 1949: Laroche – Migennes – Dijon. Mise sous tension. L’ouverture au service commercial eut lieu le 22 décembre 1949:
L’inauguration du tronçon Dijon – Laroche – Migennes eut lieu le 15 mars 1950. La traction des trains se fit au moyen de machines BB 8100, CC 7100 et 2D2 9100;
* 10 août 1950: Paris – Laroche – Migennes (via Combs-la-Ville – Moret et Corbeil – Héricy);
* 15 janvier 1952: Dijon – Chalon-sur-Saône;
* 26 mai 1952: Chalon – Lyon-Perrache;
* 15 décembre 1952: Collonges – Lyon-Brotteaux / Lyon-Guillotière / Lyon-Perrache;
En raison de cette électrification entre Paris et Lyon, opérationnelle en 1952, un changement de machine est nécessaire à Lyon, la poursuite du trajet se faisant en traction à vapeur entre Lyon et Marseille.
* 18 mai 1954: Lyon-Guillotière – Chasse-sur-Rhône (voies marchandises);
* 19 septembre 1958: Chasse – Valence – Loriol ;
* 22 septembre 1959: Loriol – Avignon ;
* 11 mai 1960: Avignon – Tarascon (vers Nîmes);
* 4 juillet 1961: Tarascon – Miramas (trafic marchandises);
* 22 juin 1962: Miramas – Marseille.
Dans les années 1970, l’augmentation du trafic dans la vallée du Rhône a nécessité le renforcement des sous-stations existantes. Les anciennes installations à vapeur de mercure sont remplacées par des groupes redresseurs à silicium.
Dans le cadre de l’arrivée du TGV Sud-Est et du relèvement de certaines sections à 200 km/h, de nouveaux travaux de mise à niveau ont été réalisés. De nouvelles sous-stations sont créées entre le sud de la Drôme et Marseille au cours de l’année 1983.
Sur l’ensemble de son parcours, la ligne est équipée de 85 sous-stations, espacées en moyenne tous les 10 kilomètres.