L’histoire de la Petite Ceinture commence sous le Second Empire. Le chemin de fer est construit par tranches livrées entre 1854 et 1869.

D’abord conçue comme un outil militaire, servant à transporter des troupes rapidement le long des fortifications parisiennes, et commercial, afin de relier entre eux les faisceaux de rails appartenant aux différentes sociétés ferroviaires, la Petite Ceinture s’ouvre progressivement au service voyageurs.

Des années avant la mise en service du premier métro parisien, la Petite Ceinture est ainsi le premier train offrant un service voyageur exclusivement intra-muros.

Elle devient rapidement un moyen de locomotion de choix à travers la ville. Durant la semaine, les ouvriers utilisent la ligne pour se rendre sur les grands espaces industriels de la périphérie parisienne (usines Citroën, abattoirs de Vaugirard ou de la Villette). Ils sont remplacés le week-end par un public plus bourgeois, profitant de la Petite Ceinture pour se rendre aux fameux bals tenus au Point-du-Jour, ou aux bois de Boulogne et de Vincennes qu’elle dessert.

A son apogée en 1900, la Petite Ceinture transporte 39 millions de voyageurs dans l’année.

La Petite Ceinture est à l’époque une des fiertés de la ville. Incarnant la modernité, elle transporte voyageurs et marchandises à travers un paysage urbain en plein mutation.

Son tracé lui-même est spectaculaire : la Petite Ceinture traverse la Seine à Auteuil perchée sur un impressionnant viaduc, passe au sein des parc de Montsouris et des Buttes-Chaumont dans des tranchées dessinées par Alphand, le « jardinier de Paris », et survole le Canal de l’Ourcq.

Cependant, la mise en service du métro marque le début de la fin pour le service voyageurs sur la Petite Ceinture. La ligne perd en attractivité et est de plus en plus boudée par les parisiens. En 1934, le service de voyageurs circulaire est interrompu.

Dès lors, et à l'exception de la section Auteuil-Pont Cardinet, qui reste en circulation jusque 1985 et la construction du RER C, la Petite Ceinture est cantonnée à un service de transport de marchandises, lui en plein essor dû à la présence de nombreux sites industriels le long des voies. Cependant, la fermeture de ces espaces industriels au cours des années 1960 et 1970 (les usines Citroën déménagement pour Aulnay-sous-Bois en 1975 tandis que les abattoirs de Vaugirard et de la Villette sont eux détruits) assèche à son tour le transport de marchandises.

Dans les années 1990, le trafic est totalement interrompu sur les sections sud et est de la Petite Ceinture.

Il subsiste jusque dans les années 2000 de manière résiduelle sur certains tronçons afin d’assurer une liaison entre les faisceaux ferroviaires parisiens (notamment entre les faisceaux de la Gare du Nord et de la Gare Saint-Lazare ou entre ceux de la Gare de Lyon et de la Gare d’Austerlitz), mais depuis le lancement des travaux du Parc Martin Luther King et l’opération de couvrement des rails d’Austerlitz, la Petite Ceinture n’accueille plus aucun train sauf évènement exceptionnel.

Sur son tracé, la nature a repris ses droits : la végétation a colonisé les rails et des animaux sauvages ont trouvé refuge sur cette drôle de friche. Ses anciennes gares sont à l’abandon, laissées à l’imagination des artistes grapheurs, tandis que ses rails continuent mélancoliquement à tracer leur chemin à travers la ville.

Depuis 2006, la Mairie de Paris a ouvert certaines portions de la Petite Ceinture au public en vertu d’une série d’accords avec la SNCF. Il y a à ce jour plus d’une dizaine de tronçons ouverts au public, sans compter les promenades aménagées au-dessus des tunnels de la Petite Ceinture.