Tout comme la série 334, ses machines sont officiellement issues de la transformation d'engins de la série 333 et bénéficient à ce titre d'une homologation simplifiée. En pratique, sont conservés le moteur Diesel (qui à l'origine devait être remplacé par un bloc neuf), les moteurs de traction, l'alternateur, et les bogies limités à 120 km/h (qui datent des années 90). La caisse, tout le système de commande et l'électronique de puissance sont donc neufs et apparentés aux locomotives PRIMA d'Alstom.
Sur les 32 exemplaires transformés à partir de la série 333.0, huit furent ensuite affectés à la traction de trains de voyageurs grandes lignes, avec vitesse portée à 160 puis 145 km/h.
Six machines identiques aux 333.3 ont été construites à partir d'éléments neufs pour des opérateurs privés (333.380 à 385).