Le viaduc de Valfin s'inscrit dans une courbe à gauche de la voie (avec un rayon de courbure de 250 m), qui se prolonge sur 300 m à l'intérieur du tunnel avant de s'inverser jusqu'au-delà de sa sortie (362 m de rayon). La pente (descendante) est de 18 mm / m sur le viaduc et varie de 13 à 17, 5 mm / m dans le souterrain. Le viaduc (au PK 067.049) franchit le ruisseau de la Foulasse avec une hauteur maximale de 27, 80 m. Il a une longueur de 77, 50 m et une largeur entre parapets de 4, 60 m, et compte six arches de 10 m d'ouverture, voûtées en plein-cintre. Ses garde-corps métalliques associent motifs ovales barlongs juxtaposés et s'achèvent à chaque extrémité par un potelet octogonal en fonte surmonté d'une pomme de pin ; ceux des culées sont de simples supports verticaux en fer forgé plat, percés pour laisser passage à une barre cylindrique horizontale, une seconde barre du même type servant d'appui. Le tunnel est long de 512 m (PK 067.113 - 067.625). Mesurant 6, 60 m de haut depuis la plate-forme (dont 0, 60 m de ballast et voie) pour une largeur maximale de 5 m, il est de section ovoïde, voûté d'un berceau plein-cintre (légèrement surhaussé) et entièrement revêtu de maçonnerie. Ses extrémités s'inscrivent chacune dans un mur de tête (au sommet en arc de cercle), dont l'ouverture est soulignée par un bossages rustiques. Elles sont prolongées par des murs en aile talutés ; celle du côté La Cluse est de plus surmontée - au-dessus du rocher - par un muret formant parapet pour l'ancien chemin vicinal n° 3 de Valfin-lès-Saint-Claude à Cinquétral, qui desservait aussi la station de Valfin (détruite le 18 juillet 1986) située au débouché du tunnel. Les deux ouvrages sont construits en moellon calcaire, provenant des carrières locales et de celles de Villebois (Ain), et pierre de taille (de Villebois), avec appareil à bossages rustiques ou appareil polygonal (culées du viaduc, têtes et murs en aile du souterrain).