En 1837, le gouvernement présente un vaste plan destiné à relier Paris aux frontières belge et allemande, mais, faute d'argent, ce plan est mis en sommeil jusqu'en 1842. Concernant le Pas-de-Calais, il est prévu une ligne de Paris à la frontière belge par Lille et Valenciennes et une ligne vers l'Angleterre par Calais ou Boulogne.
La loi du 11 juin 1842 affecte 42 millions de francs au chemin de fer de Paris à Valenciennes et Lille par Amiens, Arras et Douai. Une compagnie doit recevoir la concession de la ligne. Une commission en étudie les différents tracés et propose les tarifs. Mais la loi n'est votée que le 26 juillet 1844.
La concession de la ligne d'Amiens à Boulogne est donnée à MM. Laffite, Blount et Cie ; elle est ouverte en décembre 1848. La ligne de Paris à Lille attribuée à la Compagnie de Chemin de fer du Nord fondée par MM. De Rothschild, Hottinguer et Cie est ouverte en 1846.
De 1845 à 1857 aucune concession nouvelle n'est accordée. En fait, à cette époque, le Pas-de-Calais n'est qu'effleuré sur ses bords : au nord, à l'est et à l'ouest. Il n'existe encore aucune transversale, le centre du département constitue un désert ferroviaire.
Mais cette lacune est rapidement comblée. En effet, "la fièvre du chemin de fer" s'empare des élus locaux, conseil général, municipalités et des industriels. Les projets se multiplient alors, le chemin de fer constituant la panacée à tous les problèmes économiques.
L'extension du bassin houiller nécessite l'extension du réseau. Mais les dirigeants de la Compagnie du Nord semblent s'en désintéresser.
Cependant, lorsque dans le cadre de la convention de 1860 créant le nouveau réseau, le gouvernement décide la construction de la ligne Arras-Hazebrouck avec embranchement sur Lens et Ostricourt. C'est la Compagnie du Nord, peu favorable à ce projet, qui est chargée de la réalisation.
Il faut cinq ans pour que l'ensemble soit achevé, mais la ligne des houillères connaît une expansion exceptionnelle. Une série d'embranchements particuliers s'y rattache peu à peu, au moment où le trafic minier est en constante augmentation. La nouvelle gare de Lens se situe alors au second rang pour les marchandises après Arras.
Les projets de la Compagnie du Nord se portent ensuite vers l'ouest du département dans le cadre de la liaison entre Boulogne et Calais, alors que la rivalité entre ces deux villes est grande. Ce projet n'aboutit qu'au bout de treize ans (1867).
La troisième étape de l'implantation du chemin de fer dans le Pas-de-Calais est celle de la liaison entre l'axe Paris-Lille et la côte. Après de nombreux projets, c'est la ligne Arras-Étaples qui est retenue, car elle a l'appui des chambres de commerce d'Arras et de Boulogne, et celui du conseil général.
Le projet est présenté en 1857, mais sa réalisation traîne en longueur, les propositions de construction et de concession sont nombreuses, mais les difficultés et les oppositions se multiplient.
Les deux sociétés candidates se désistent en 1864. Ce n'est qu'en 1868 que la concession échoit à la Compagnie du Nord, le projet est voté en avril 1869 par le Corps Législatif et l'inauguration de la ligne a lieu … en 1878.
À la fin du Second Empire, sous la pression de comités d'action, d'autres projets voient le jour, comme la liaison Boulogne-Saint-Omer.
Pratiquement la plupart des lignes existant en 1870 dans le Pas-de-Calais sont concédées à la Compagnie du Nord : les autres tentatives de constitution de sociétés ont échoué.
Parallèlement à ce réseau principal, on voit ensuite se développer un réseau secondaire, construit à moindres frais, avec un cahier des charges moins sévère. À partir de 1874, la Compagnie du Nord, s'associe aux sociétés locales de chemin de fer, considérant que les lignes secondaires sont nécessaires en tant qu'affluents de ses réseaux.
Dans le Pas-de-Calais, essentiellement agricole et sucrier, les lignes d'intérêt local permettent alors l'extension de la culture des betteraves et le transport des principaux produits agricoles.