Construites au début des années 60, alors que le programme d'électrification de la ligne Paris - Lyon - Marseille se termine, les Z 7100 sont des automotrices destinées à assurer les dessertes omnibus et express de faible distance. Affectées aux dépôts d'Avignon et de Lyon Mouche, elles parcourent tout cet axe et vont aussi jusqu'à Toulouse ainsi que sur la ligne des Causses (pour les Z 7121 à 7133, équipées du freinage rhéostatique).
Tout comme pour la majorité des autorails de l'époque, les compositions sont variables, vu qu'il y a 33 motrices Z 7100 (de configuration BB) et 75 remorques dites "renforcées". Deux autres automotrices, équipées pour le 25000 V 50 Hz ont également été fabriquées (Z 9060 et 9061 puis 8001 & 2). Tous ces engins sont peints en rouge et crème, comme les autorails de l'époque (la toiture deviendra rouge au début des années 70).
En 1973, la Z 7115, victime d'un grave accident, est transformée en prototype Z 7001, testant les équipements du TGV Sud Est ; elle sera radiée en 1981.
En 1982, victimes de l'arrivée des Z 7300 et Z 7500, plus récentes et plus rapides, les Z 7100 (qui avaient été le seul matériel automoteur destiné à la province acquis auparavant) commencent à subir une profonde modernisation, sur le modèle de celle subie avec succès par les X 2800. Durant jusqu'en 1987, l'opération consiste à réaménager intégralement les éléments (y compris les cabines), à les repeindre en bleu et blanc, à supprimer le second pantographe et à réviser totalement les parties électriques et mécaniques. Les rames ont désormais une composition fixe :
Pour les Z 7101 à 7114 et 7116 à 7120 (soit 19 rames), affectées à Vénissieux, on a une composition à quatre caisses :Z AB 7100 + ZR B 27100 + ZR AB 27200 + ZR BDx 17100
Pour les Z 7121 à 7133, soit 13 rames, affectées à Avignon et équipées du freinage rhéostatique, la composition est de deux caisses seulement :Z AB 7100 + ZR BDx 17100
En 1996, la Z 7102, à quatre caisses, est victime d'un accident et se voit amputée de ses deux caisses intermédiaires. Elle est renumérotée Z 7150, pour éviter toute confusion avec les autres rames à deux caisses car elle reste dépourvue du frein rhéostatique.
Utilisées en région Bourgogne et Rhône Alpes avec d'éventuelles incursions jusqu'en Avignon, les Z 7100, marquant leur âge, ont été victimes de l'arrivée de matériels bien plus modernes, comme les Z 23500. Les radiations ont donc commencé en 1998 et se sont terminées en 2006, avec l'arrivée des AGC Z 27500 et TER 2N NG Z 24500.
| Année | 1960 | 1961 | 1962 | 193. |
| Mises en service | 2 | 16 | 14 | 1 |
| 1Parc total en fin d'année | 2 | 18 | 32 | 33 |
| Année | 1974 | 1996 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 |
| Transformation en Z 7001 | 1 | ||||||||||
| Réformes rames à 2 caisses | 1 | 6 | 3 | 4 | |||||||
| Réformes rames à 4 caisses | 2 | 4 | 1 | 3 | 8 | ||||||
| Total annuel réformes | 1 | 2 | 4 | 0 | 0 | 1 | 6 | 0 | 6 | 12 | |
| Parc restant en fin d'année | 32 | 31 | 29 | 25 | 25 | 25 | 24 | 18 | 18 | 12 | 0 |
| dont rames à 2 caisses | 13 | 13 | 13 | 13 | 13 | 13 | 7 | 7 | 4 | 0 | |
| dont rames à 4 caisses | 18 | 16 | 12 | 12 | 12 | 11 | 11 | 11 | 8 | 0 |