L'inauguration le 15 novembre 1862 de la section Mouchard - Pontarlier consacre l'ouverture de la ligne reliant Dole à la Suisse. Dès 1855, la compagnie du Paris - Lyon avait signalé son intention de prolonger jusqu'à Neuchâtel la ligne Dijon - Dole, mise en service le 11 juin. Ce projet fut inscrit dans la loi du 19 juillet 1857, année où le PL devint PLM (Paris - Lyon - Méditerranée), et la construction débuta par les sections Dole - Salins via Mouchard (1856-1857) et Pontarlier - Neuchâtel (1856-1860) pour s'achever avec celle de Mouchard - Pontarlier (1859-1862). Dès les prémices de cette liaison, la municipalité de Champagnole avait, en 1854, manifesté son désir d'une desserte ferroviaire permettant un essor des industries locales (métallurgie et bois essentiellement). Pour obtenir un raccordement sur la nouvelle ligne, elle s'engage en 1862 à verser une subvention de 100 000 F, somme doublée le 25 mai 1863 après signature d'une convention avec le PLM, représenté par Paulin Talabot, et portée à 300 000 F en y incluant les acquisitions des terrains qu'elle propose de faire et les souscriptions des industriels (Alphonse Jobez à Syam, Simon Menans et Cie à Fraisans, etc.). Dirigée par l'ingénieur en chef Adrien Ruelle, sous-directeur de la construction pour cette compagnie, l'enquête sur le tracé commence le 26 juillet 1863. Le 20 février 1864, l'embranchement de Champagnole est décrété d'utilité publique et les concessions faites par la convention du 11 juin 1863 au PLM à titre éventuel deviennent définitives. Les travaux doivent être réalisés dans un délai de 8 ans. Le projet final, attribuable à l'ingénieur du PLM Lucien-Hippolyte Vertray et contrôlé par l'ingénieur en chef des Ponts et Chaussées Laborie, est adopté le 15 février 1865. Il prévoit une ligne à voie unique avec départ d'Andelot-en-Montagne et établissement de deux gares, à Vers-en-Montagne et à Champagnole (terminus), l'emplacement de cette dernière ayant été sujet à controverses. Adjugés le 26 mai 1865 à l'entrepreneur Guichard, les travaux démarrent en juin. Ils sont réceptionnés le 25 juin 1867 et les tabliers métalliques des ponts éprouvés début juillet. Inaugurée le 14 juillet 1867, la ligne est ouverte à l'exploitation le lendemain. Le PLM a en outre construit à Champagnole une avenue destinée à desservir la gare, en échange d'un terrain nécessaire à une prise d'eau. En 1924, une halte de voyageurs intermédiaire est créée sur la commune d'Ardon, au passage à niveau n° 5 établi sur la route nationale 5 (une première demande de la municipalité en 1906 avait reçu une réponse négative du ministre). Dans la deuxième moitié du 20e siècle, un passage à niveau, trois maisons de garde-barrière (n° 2, 4 et 7) et la halte sont détruits ; les deux maisons subsistant sont vendues, de même que la gare de Vers-en-Montagne (en 1992). Un pont ferroviaire, enjambant la route départementale n° 5, est créé en 1994 lors d'un réaménagement du réseau routier.