Gleichzeitig zur Fertigstellung bemühte sich die PO um die Verlängerung bis Tonneins. Zum 27. Dezember 1879 wurde sie für gemeinnützig erklärt,[5] am 28. Juni 1883 wurde die Konzession erteilt, die am 20. November 1884 per Gesetz bestätigt wurde.[6]
Am 1. Juli 1894 ging die Fortsetzung der Streckenführung von Villeneuve-sur-Lot bis Tonneins in Betrieb.
Die Strecke gehörte zu den vielen Verbindungen, die nach Übernahme durch die SNCF 1938 sofort geschlossen wurden. Auch bei der Schließung gab es zwei Abschnitte, am 6. März 1939 schloss man Villeneuve-sur-Lot–Tonneins, 15 Monate später am 10. Juni 1940 den kürzeren, östlichen Abschnitt Penne-d’Agenais–Villeneuve-sur-Lot, der etwas mehr Fahrgastaufkommen hatte. Nach Kriegsbeginn öffnete man kurzzeitig vom 3. September bis 4. Oktober 1939 die Strecke wieder, um dem erhöhten Transportaufkommen gerecht zu werden.
Bahntrasse
Die Trassenführung galt als wenig anspruchsvoll, weil das Gelände recht flach ist und überwiegend mit einem geringen Steigungsgradient gearbeitet werden konnte. Ab BK 658 war eine etwa 5 km lange Steigung erforderlich, die mit 12,5 ‰ moderat ausfiel. Höchster Punkt war kurz vor dem Tunnel Moncaubette (721 m), bevor die Strecke wieder mit 12,5 ‰ auf etwa 4 km bis zur Einfahrt des Bahnhofs Tonneins abwärts ging. Zusätzlich zu dem Tunnel war noch der Bau der 160 m langen Brücke über die Lot erforderlich. Zwischen Villeneuve-sur-Lot und Sainte-Livrade-sur-Lot wurde auf der ehemaligen Strecke ein Radweg angelegt.