Con esta prolongación se creó el enlace con línea 6 del Metro de Madrid.

En 1991 se fundían ambas líneas en una sola que unía Móstoles y Fuenlabrada pasando por Madrid, momento en el que empezó la reforma de los sistemas de señalización para instalar LZB.

Además, se destinaron en exclusiva unidades de la serie 446 de Renfe adaptadas a este modo de señalización y más adecuadas para la línea, con estaciones muy próximas entre sí que no permiten al tren alcanzar velocidades superiores a 100 km/h entre estaciones.

Durante este periodo, se puso en servicio un servicio sustitutivo de autobuses que cubría las estaciones cerradas (Puente Alcocer, Orcasitas, Doce de Octubre y Méndez Álvaro).

[2]​ Cuando se creó la línea circularon por ella unidades serie 440 y posteriormente trenes de la serie 446, adaptados a la conducción y señalización LZB.

La línea discurre desde Humanes hacia el norte pasando por Fuenlabrada, donde tiene correspondencia con la línea 12 de Metro en la estación de Fuenlabrada y otra estación al norte del municipio, La Serna-Fuenlabrada (o simplemente, La Serna).

A continuación llega a Leganés, donde tiene tres estaciones: Parque Polvoranca, inaugurada en mayo de 2004 y construida más o menos al mismo tiempo que se construyó la línea 12 de Metro, con la que tiene correspondencia en la siguiente estación; Leganés (Leganés Central para metro); y finalmente, al norte del municipio tiene la estación de Zarzaquemada.

Una vez pasada esta estación (que presta servicio al hospital y al barrio de Almendrales) vuelve a superficie y entra en el distrito de Arganzuela.

Al atravesar el río Manzanares y la M-30 elevada sobre un puente, vuelve a meterse bajo tierra y efectúa parada en Méndez Álvaro, donde tiene correspondencia con las líneas C-1 y C-10 de Cercanías, la línea 6 de Metro y la estación sur de autobuses, cabecera de líneas interurbanas, interregionales e internacionales.

Justo llegando a esta última estación de Madrid la línea va en superficie hasta el final.

[3]​ Asimismo, el último tren del día sale de Fuenlabrada con destino Atocha y no continúa a Móstoles-El Soto.

[5]​ Por el otro extremo se prolongará la línea hasta Illescas aprovechando la línea Madrid-Valencia de Alcántara que se electrificaría a 3000vcc hasta ésta.

Hasta que esto ocurra, se han anunciado unos nuevos "servicios de proximidad" que comenzaron a operar en abril de 2023, este servicio une Fuenlabrada e Illescas y con parada en Humanes[6]​[7]​ como preludio a esta ampliación hasta que se electrifique el tramo.