Après la mise en service complète de la ligne, la vitesse des trains ne cesse d’être accélérée. Alors qu'il fallait en 1873 cinq heures et demie pour aller de Paris à Dieppe, il n'en faut plus que trois lorsque la ligne passe sous le contrôle de l'administration des chemins de fer de l'État en 1908, puis une heure et quarante-sept minutes en 1938, à la fusion des compagnies de chemin de fer sous la forme de la SNCF, en utilisant des autorails directs. Ainsi, pendant des décennies, la ligne voit passer de grands express en correspondance à Dieppe avec le bateau vers la Grande-Bretagne ; son succès lui vaut une mise à double voie en 1912-1913 sur toute sa longueur. Elle est aussi utilisée, pendant la Seconde Guerre mondiale et après, comme itinéraire de substitution pour Rouen et Le Havre depuis Paris. En effet, que ce soit par le Génie français en (à Conflans puis sur l'Oise), par des bombardements alliés (surtout en 1944), ou par les troupes nazies de nombreux ouvrages de la ligne de Paris-Saint-Lazare au Havre ayant été détruits, tels que les ponts d'Asnières, d'Argenteuil et de Conflans ou le viaduc de Malaunay. Les trains partent alors de la gare du Nord, et empruntent la ligne sur toute sa longueur jusqu'à Dieppe, ou bifurquent à Serqueux vers la ligne d'Amiens à Rouen, puis la ligne de Montérolier - Buchy à Motteville avant de rejoindre l'itinéraire normal jusqu'au Havre. Cette situation dure encore quelques années après la Libération, le temps de reconstruire les ouvrages. La ligne reverra cette fonction lui être attribuée plusieurs fois au cours de l'Histoire, notamment entre 1955 et 1956 après l'effondrement du tunnel de Sainte-Catherine à Rouen, ou encore lors de l'électrification de la ligne de Paris-Saint-Lazare au Havre.