Dès 1857, le canton de Vaud sollicite la Compagnie du Paris-Lyon-Méditerranée pour effectuer la jonction entre Pontarlier et Vallorbe. Si les travaux débutent côté Suisse en 1867, ils ne commencent en France qu'en 1872. Ce retard s'explique par les rivalités entre les compagnies du P.L.M. et de l'Est, ainsi que par la guerre franco-prussienne de 1870-1871. La ligne est mise en service le 1er juillet 1875 et son exploitation est assurée par une compagnie suisse Jougne-Eclepens, puis par Jura-Simplon et enfin par le P.L.M en 1915. A sa création, la gendarmerie est transférée aux Hôpitaux-Neufs et la liaison entre la station des Hôpitaux-Neufs-Jougne et le village proprement dit est assurée, entre autres, par la voiture à cheval conduite par le boulanger Poix-Daude. La traction était assurée par trois locomotives 030 à tender séparé construites en 1869 par la Société alsacienne de Constructions mécaniques (S.A.C.M.). La ligne achemine essentiellement des trains internationaux à grands parcours et lors de l'ouverture du tunnel du Simplon (liaison France-Italie) en 1906, elle prend une importance considérable et pas moins de 40 convois quotidiens la parcourent dans les deux sens. Toutefois, la forte déclivité de la rampe Jougne-Vallorbe (2,5 %) et l'importance des chutes de neige, notamment dans la tranchée entre les deux tunnels où elle s'accumule, sont la cause de retards fréquents, d'accidents, voire du blocage des trains : incidents fâcheux, lorsque des express internationaux, tel le Simplon Express, l'empruntent de 1906 à 1915. Tous ces problèmes conduisent les responsables de l'exploitation à rechercher un tracé Dole-Lausanne plus court et plus fiable. D'où le percement en 1915 du tunnel du Mont d'Or ouvrant la liaison Frasne-Vallorbe. La ligne Pontarlier-Vallorbe perd alors son caractère international et ne concerne plus que le trafic local. Avec l'apparition des autorails en 1935, le trafic voyageurs reprend un peu d'importance, avec 7 ou 8 trains par jour dans chaque sens. Il est cependant arrêté le le 18 avril 1938 et celui des marchandises cesse le 18 juin 1940 après l'explosion d'une mine endommageant le tunnel de Jougne. La voie est encore utilisée entre les Hôpitaux et la Cluse jusqu'en 1969, puis son déferrage commence en 1970. Grâce à quelques passionnés, l'association Chemin de Fer touristique Pontarlier-Vallorbe (C.F.T.P.V.), plus connue sous le nom de Coni'Fer, exploite la section des Hôpitaux-Neufs-Jougne-Fontaine Ronde. Le dessein de cette association est de prolonger la voie entre Fontaine Ronde et Le Frambourg, où se raccorde la ligne TGV vers Neuchâtel. Il est également envisagé, à plus long terme, de rejoindre la gare suisse de Vallorbe et de rouvrir ainsi l'ensemble de la ligne.