À l'origine, entre les gares de Chalon-sur-Saône et Villers-Les-pots, cette ligne desservait les gares de Sassenay, Gergy, Allerey (ancienne gare de bifurcation ou convergeaient également les lignes Chagny-Dole (via Saint-Bonnet-en-Bresse et Chaussin), et Beaune — Saint-Loup-de-la-Salle, Allerey), Écuelles, Chivres, Seurre. Elle empruntait à partir de Seurre, (bifurcation au Km 362, 100), la ligne Dijon-Ville - Saint-Amour de Seurre à Saint-Jean-de-Losne, desservait Pagny-le-Château, franchissait la bifurcation de Chaugey (Ligne de Saint-Jean-de-Losne, Chaussin et Lons-le-Saunier), arrivait à Saint-Jean-de-Losne ou elle quittait la ligne de Ligne Dijon-Ville - Saint-Amour. Elle desservait ensuite les localités de Trouhans et Champdôtre-Pont pour atteindre la bifurcation de Villers-les-pots. Les circulations voyageurs effectuaient le parcours aller et retour Villers-les-Pots — Auxonne pour desservir la localité d'Auxonne.
La section de ligne Dijon-Seurre (Ligne Dijon-Ville - Saint-Amour) était mis en service à voie unique le 20 juin 1882 puis et le tronçon de Seurre à Saint-Jean-de-Losne était mis à double voie le 29 avril 1885. La section de ligne d'Auxonne à Allerey fut ouverte à l'exploitation le 12 juillet 1887.
La section de ligne entre Champdôtre-Pont et Trouhans fut fermée en 1952.