La ligne Moulins - Lozanne constitue en quelque sorte un "itinéraire bis" entre l'axe du Bourbonnais Paris - Clermont Ferrand et l'axe Paris - Lyon - Marseille. Avec un profil plus facile que l'axe via Roanne et Tarare, elle connut un trafic de marchandises important, du moins jusqu'à l'électrification de l'axe Paris - Lyon survenu en 1954.
Dans les années 1990, la ligne a souffert d'une érosion de son trafic, aussi bien de fret que de voyageurs, motivant dans un plan d'économies la mise à voie unique de la section de 62 km entre Lamure sur Azergues et Paray le Monial, constituant le plus long intervalle entre deux points de croisements du réseau français.
Etat de la signalisation sur l'étoile de Paray : block manuel et rouge, BAPR en vert, BAL en bleu, TVM sur LGV en orange. (document RFF)
Néanmoins, en 2005, la création d'un aller-retour Lyon - Tours, mis en oeuvre par les Régions Rhône-Alpes, Bourgogne et Centre, tracé via Paray le Monial, ainsi que la reprise de l'aller-retour Lyon - Orléans, lui aussi dévié par cet axe (il était auparavant tracé via Roanne), a permis de redonner un peu d'allant à cet axe, même si ce dernier a été limité à Nevers en 2012. Cependant, la dégradation de l'infrastructure a conduit RFF à appliquer des ralentissements, parfois sévères, puisque s'abaissant jusqu'à 40 km/h pour une infrastructure potentiellement apte à 110 km/h.
Paray le Monial, 23 août 2005 - L'étoile de Paray le Monial rayonne vers Lyon, Moulins et Montchanin. En 2005, les X73500 faisaient encore figure de "jeunes débutants" commençant à menacer le pré carré des bien connus X4630. © transportrail
Dans un premier temps, en 2012, RFF a procédé au remplacement de nombreuses traverses entre Paray le Monial et Gilly sur Loire pour assurer la voie sur la section Moulins - Paray, et notamment pour l'approvisionnement des usines sidérurgiques de Digoin.
A l'été 2014, RFF programme une opération de rénovation de l'infrastructure entre Paray le Monial et Chauffailles durant l'été, intégrant également la création d'un nouvel évitement de sorte à redonner de la souplesse d'exploitation à la section Paray - Lozanne, donnant accès à Lyon. Cette rénovation permettra de restaurer les performances de la ligne et ainsi de gagner 15 minutes sur le parcours Lyon - Paray, mais uniquement sur le versant bourguignon. Côté Rhône-Alpes, les travaux concernent le confortement de remblais et la maintenance courante, ne prévoyant pas encore la levée de tous les ralentissements à 40 et 60 km/h.
Entre Paray le Monial et Moulins, deux solutions sont étudiées. La première consiste en le maintien de la double voie. L'alternative mettrait en voie unique la section Digoin - Gilly sur Loire, la section Gilly - Moulins étant elle déjà à voie unique. La gare de Gilly assurerait la fonction de croisement des circulations : il y aurait alors 3 croisements entre Paray et Moulins (Montbeugny, Dompierre et Gilly). La modernisation intègrerait le remplacement du Block Manuel par du BAPR.
Gilly sur Loire - 26 juillet 2013 - Un B81500 bourguignon franchit le viaduc sur la Loire en direction de Moulins. Le tablier du viaduc, datant de 1856, sera remplacé en 2018. © transportrail
L'axe Lyon - Paray - Moulins pourrait alors retrouver de l'allant pour améliorer cette liaison complémentaire à la ligne via Roanne. Néanmoins, le choix de la Région Rhône-Alpes d'une politique d'arrêt omnibus sur toutes les circulations entre Lyon et Paray le Monial ne facilite pas l'attractivité de la ligne : le TER Lyon - Tours quitte par exemple Lyon Part Dieu à 12h08 et n'atteint Moulins qu'à 14h55 après 11 arrêts intermédiaires. Le voyageur de bout en bout doit encore être patient, puisque 12 arrêts intermédiaires l'attendent encore avant l'arrivée à Tours à 18h01, dont 11 minutes d'arrêt à Moulins.
Sa modernisation serait aussi potentiellement à mettre au profit de la relation Clermont Ferrand - Dijon, même si, dans ce cas, la desserte squelettique rend le passage par Nevers plus intéressant et pas forcément beaucoup plus long...