La ligne de Gisors à Pont-de-l'Arche, qui dessert le Vexin normand, est concédée à titre éventuel le 23 août 1865 parle préfet du département de l'Eure, comme chemin de fer d'intérêt local, à la Compagnie du chemin de fer de Pont-de-l'Arche à Gisors, puis déclarée d'utilité publique le 9 juin 1866 rendant ainsi la concession définitive. Elle est ouverte le 29 décembre 1868 et fait lien entre deux lignes existantes : la ligne de Saint-Denis à Dieppe et la ligne de Paris au Havre. Il aura néanmoins fallu 6 ans de négociations pour lever les fonds nécessaires à sa mise en place et surtout l'impulsion du grand patron d'industrie Augustin Pouyer Quertier également député et maire de Fleury-sur-Andelle.

Le 25 mai 1870, le Conseil Général de l'Eure donne son accord pour le rachat de la ligne par la Compagnie du chemin de fer d'Orléans, basée à Châlons-sur-Marne, qui souhaite constituer un réseau cohérent en Normandie. L'État rachète la ligne à la compagnie selon les termes d'une convention signée le 2 octobre 1891 entre le ministre des Travaux publics et le syndic de faillite de la compagnie. Cette convention est approuvée par une loi le 3 août 1892 qui reclasse la ligne dans le réseau d'intérêt général. Cette même loi concède à titre définitif la ligne à la Compagnie des chemins de fer de l'Ouest. Mais en raison des difficultés que connaît cette compagnie au début du XXe siècle, la ligne est rachetée par l'Administration des chemins de fer de l'État le 1er janvier 1909.

Le tronçon Lisors-Pîtres, qui suit les vallées du Fouillebroc, de la basse Lieure et de la basse Andelle, va jouer un rôle crucial dans la poursuite du développement industriel de la partie sud du bassin hydrographique de l'Andelle où elle dessert les gares ou stations de Lisors, Ménesqueville, Charleval, Fleury-sur-Andelle, Radepont, Pont-Saint-Pierre, Romilly-sur-Andelle et Pîtres.

Le tronçon Lisors-Pîtres est fermé au trafic de voyageurs entre Lisors et Charleval le 1er mars 1940 et le 9 avril 1956 entre Charleval et Pîtres. Aujourd'hui, ne subsiste sur ce tronçon qu'un trafic fret ponctuel permettant la desserte de la Sucrerie d'Etrépagny.