Tågen stoppades vid gränsen i timmar, vilket fick Italien att framföra ett officiellt klagomål till Frankrike. Tjänsterna återupptogs senare.
Italien har förargat Frankrike genom att ge tillfälligt uppehållstillstånd till tusentals tunisiska migranter.
Tillstånden gör det möjligt för dem att resa fritt i många europeiska länder.
Det italienska utrikesdepartementet sade att den franska flytten var "olaglig och i klar överträdelse av allmänna europeiska principer".
Tidigare på söndagen sade Maurizio Furia, talesman för det italienska järnvägsbolaget, att tåg inte tilläts passera till Menton i Frankrike från den italienska gränsstationen Ventimiglia.
BBC:s Hugh Schofield säger att en demonstration till stöd för de tunisiska invandrarna hade planerats, där omkring 300 demonstranter hade planerat att rida vad de kallade "passet av värdighet".
På grund av nedläggningen kunde demonstrationen inte äga rum.
Frankrike har sagt att invandrare måste bevisa att de kan försörja sig själva ekonomiskt och har inrättat patruller vid den italienska gränsen.
Men Italien säger att Frankrikes åtgärder inte ligger i linje med EU:s Schengenpassfria reseområde.
"Vi har gett migranterna resedokument, och vi gav allt (else) som behövs, och Europeiska kommissionen erkände att, det har sagt att Italien följer Schengenreglerna," Italiens inrikesminister Roberto Maroni sade i en intervju på Italiens Sky TG24 TV.
Italien och andra europeiska länder har blivit alltmer oroade över migrationen från Nordafrika efter den politiska turbulensen i regionen.
Tidigare denna månad gick Italien och Frankrike med på att sjö- och flygpatrullera för att försöka förhindra inflödet av tusentals människor från Tunisien, Egypten och Libyen.
Myndigheterna i Frankrike blockerade tillfälligt tåg från Italien i ett försök att stoppa nordafrikanska migranter från att komma in i landet.