En 1867, date de l'inauguration de la section Andelot-en-Montagne Champagnole, la municipalité de Morez publie un mémoire demandant la réalisation d'une section Champagnole - Morez, avec possibilité de prolongation vers Saint-Claude, Gex et Genève (en 1845, elle avait déjà réclamé une liaison Paris - Genève via Morez). Elle s'appuie sur une étude rendue dès 1866 par l'ingénieur des Ponts et Chaussées Toussaint. Sont par la suite envisagées une voie métrique depuis Lons-le-Saunier (Gandillot) et une voie normale Lons - Champagnole - Morez - Saint-Claude - Dortan (Villevert, 1876). Il faut attendre 1878 pour que la ligne Champagnole - Morez - Saint-Claude - La Cluse soit intégrée (sous le n° 119) dans le plan Freycinet, entériné par la loi du 17 juillet 1879. Du fait de la topographie dans la zone de Morez, il est prévu que la ligne aille jusqu'à Tancua et de là rebrousse chemin vers Morez via la vallée de la Bienne. Cette option est proposée par les ingénieurs des Ponts et Chaussées Louis-Léon Houbre et Jean-Joseph-Alfred Eyriaud-Desvergnes (1876-1877), et retenue par leur collègue Toussaint et les ingénieurs en chef Picquenot puis Moron (après 1885). La ligne est déclarée d'utilité publique en 1880. Le 1er tronçon, de Champagnole à Saint-Laurent-en-Grandvaux (22, 5 km), est divisé en 3 lots : 1er lot de Champagnole à La Billaude - commune du Vaudioux - (adjugé en 1881 à l'entrepreneur Joseph Girard, qui y emploie l'année suivante 345 ouvriers par jour), 2e de La Billaude à Morillon - commune d'Entre-Deux-Monts - (adjugé en 1882 à Charles Genet) et 3e de Morillon à Saint-Laurent (adjugé en 1883 à Charles Miclo). L'emplacement des 7 gares, stations et haltes est fixé en 1882 et celui des 20 maisons de garde-barrière prévues approuvé en 1883, année de la concession définitive de la section à la compagnie du PLM (Paris - Lyon - Méditerranée). L'Ain doit être franchi par un viaduc établi sur les communes de Champagnole et Cize mais des glissements de terrain, durant l'hiver 1882, obligent à le déplacer en amont. La pose des tabliers métalliques des 11 autres ponts est achevée en juin 1887 (adjudication des 26 novembre et 14 décembre 1885 à la société Baudet, Donon et Cie). La construction des bâtiments des stations est adjugée le 19 novembre 1888, la pose de la voie le 14 janvier 1889 (à l'entrepreneur Ermoglio). Le tronçon Champagnole - Saint-Laurent-en-Grandvaux est mis en exploitation le 10 juillet 1890. Le 10 août suivant, la gare de Saint-Laurent est inaugurée par le ministre des Travaux publics, Yves Guyot, qui se déplace jusqu'à Morez et décide de faire reprendre les études pour le tronçon joignant cette ville, dont la réalisation était remise en question. Dès 1887, le projet initial par Tancua avait été abandonné au profit d'une desserte directe via Morbier et, le 20 novembre 1888, la compagnie du PLM avait reçu l'aval pour réaliser les études définitives entre Saint-Laurent et Morbier (7, 5 km). Définis par les ingénieurs en chef Moron (Ponts et Chaussées), Vernis puis Moris (PLM), les travaux d'infrastructure sont adjugés le 3 juin 1892 aux sieurs Fougerolle Frères, ceux de superstructure courant 1895 et les bâtiments de la gare de Morbier en février 1897. Cette partie est mise en service le 15 mai 1899 et la gare inaugurée le 21. Pour la partie Morbier - Morez (5 km), deux solutions sont proposées : voie normale à crémaillère (PLM, fin 1890) ou sans crémaillère. Cette dernière proposition est affinée en 1892 par Moron, en intégrant un tunnel en fer à cheval (tunnel des Frasses), puis adoptée le 6 février 1893. Si le percement du tunnel des Frasses est adjugé aux entreprises Ferreboeuf et Long le 10 août 1894 (il sera achevé en 1897), le projet des autres ouvrages d'art est approuvé en 1896 et confié à l'entrepreneur Allard. La mise en service a lieu le 1er juin 1900 et l'inauguration le 12 août, en présence du ministre des Travaux publics Baudin. Cette partie est alors (avec 4 886 000 francs o r) la plus coûteuse de France, du fait du nombre d'ouvrages nécessaires pour racheter le dénivelé de 124 m entre Morbier et Morez ; elle constitue aussi une première pour la Cie PLM qui n'avait pas jusqu'alors exploité de tronçon établi en courbes de 180 m de rayon, avec déclivités de 25 mm / m. La jonction avec Saint-Claude n'est établie qu'en 1912. Au 20e siècle, les modernisations conduisent à la désaffectation de certains ouvrages et, éventuellement, à leur suppression : 8 passages à niveau, 12 maisons de garde-barrière, une halte (la Savine, détruite après 1969) et 2 gares (Syam et La Chaumusse, démolies en juillet 1986), celles du Vaudioux et de Morbier étant vendues. Un pont ferroviaire, enjambant la route nationale n° 5, est créé en 1992 lors d'un réaménagement du réseau routier ; une nouvelle halte est aménagée à Champagnole, pour le lycée Paul-Emile Victor en 2003.