La création de la ligne ferroviaire Charleval-Serqueux est étroitement liée à la ligne reliant Gisors à Pont–de-l’Arche mise en service en 1868 par la Compagnie du chemin de fer de Pont-de-l'Arche à Gisors. En effet, pour assurer sa connexion avec la ligne Amiens–Rouen exploitée par la Compagnie des chemins de fer du Nord, les départements de l’Eure et de la Seine-Inférieure prennent la décision dès 1883 de favoriser la mise en place d’une ligne transversale faisant la jonction entre les deux axes existants. Cette nouvelle ligne doit permettre également le désenclavement de toute la partie amont de la vallée de l’Andelle, puisque son tracé longe scrupuleusement la rivière, remontant même jusqu’à sa source à Serqueux. C'est donc un territoire à deux visages qu'elle dessert, industriel dans l'Eure et rural dans le pays de Bray. De fait, la création de ce nouvel axe ferroviaire se justifie par la demande croissante de la population locale de pouvoir se rendre à Rouen, des industriels du territoire de pouvoir acheminer les matières premières dont ils ont besoin jusqu'à leurs usines et des agriculteurs de pouvoir faciliter l'écoulement de leur production.

D'abord prévue comme voie ferrée d'intérêt local, la ligne Charleval-Serqueux est finalement déclarée d'utilité publique le 16 juillet 1900 et concédée à la Compagnie des chemins de fer de l'Ouest. Dans le même temps, une convention passée entre le ministère des Travaux publics et la Compagnie des Chemins de fer de l’Ouest accorde à cette dernière la construction mais surtout l'exploitation à titre définitif de la ligne.

En raison des difficultés financières que connait alors la Compagnie des chemins de fer de l’Ouest, le lancement des travaux de construction prévu dès 1900 est retardé et la mise en service de ligne est programmée en deux phases. Le premier tronçon, de Charleval à Vascoeuil, correspondant à la partie euroise de la ligne et totalisant à peine 10 km, est ouvert le 13juillet 1907. Le second tronçon, de Vascoeuil à Serqueux, correspondant à la portion portant sur le département de la Seine-Inférieure, est ouvert le 9 juin 1910 par la Compagnie des chemins de fer de l'État, celle-ci ayant absorbé la Compagnie des chemins de fer de l'Ouest le 1er janvier 1909, héritant des droits et obligations établis par la convention de 1900.

Jusqu'en 1914, quatre trains (aller/retour) desservent quotidiennement la ligne, tous programmés en correspondance avec les convois circulant sur l'itinéraire Gisors - Pont-de-l'Arche. Conçus comme des omnibus, ces trains parcourent les 36kilomètres que totalise la ligne en 1 h 15 à 1 h 20 dans le sens Charleval-Serqueux, en 1 h 05 à 1 h 10 en sens inverse.Le service est assuré par des locomotives de la Compagnie des chemins de fer de l'Ouest, relevant du dépôt de Gisors, de type 021, 120, 130, 220 et 120T. Durant la Première Guerre mondiale, la circulation sur la ligne est réduite à deux allers et retours quotidiens, plus quelques convois de marchandises destinés notamment à ravitailler en armes et munitions le front de la Somme.

Après la Première Guerre mondiale, le trafic reprend sur la ligne de façon limitée, avec seulement trois allers-retours quotidiens. Mais lui sont affectées de nouvelles locomotives plus puissantes et plus rapides (de type 230 de la Compagnie des chemins de fer de l'Ouest et de type 140 de la compagnie des chemins de fer de l'État). Malgré cette modernisation,le nombre de passagers fréquentant la ligne ne cesse de baisser et le service des voyageurs est définitivement arrêté le2 octobre 1938.

Le trafic de marchandises est quant à lui maintenu durant la Seconde Guerre mondiale, mais fonctionne par intermittence.En 1942, l’armée allemande relance le trafic des voyageurs pour assurer le déplacement de travailleurs employés sur undépôt de munitions qu’elle a fondé près de Croisy-sur-Andelle. L’utilisation de la ligne par l’ennemi en fait une cible pourl’aviation alliée et pour la Résistance.

Après la guerre, le service marchandises reprend avec des locotracteurs assurant la desserte locale des tronçons Charleval-Croisy-sur-Andelle et Nolleval-La Feuillie-Serqueux. Le trafic décroit néanmoins et la ligne est définitivement fermée le 3 novembre 1969.

Les gares désaffectées sont vendues à des propriétaires privés et transformées en habitations. L'ensemble de la ligne est déclassée par décret du 14 janvier 1972 et entièrement déferrée à la fin des années 1970. Sa transformation en voie verte est aujourd’hui à l’étude.