La mise au point du moteur MGO de 825 Ch., utilisé d'abord sur les locomotives 040 DE 500 (futures BB 63500) au milieu des années 50 a aussi permis la création d'autorails puissants et équipés d'un seul moteur, donc moins couteux en entretien. C'est ainsi que sont apparus les X 2800 à partir de 1957, dérivés de leurs prédécesseurs les X 2400 mais sans les inconvénients de la présence de deux moteurs à bord. A noter qu'avec les X 4200, ce sont les derniers autorails à avoir été construits par Renault.
Leur puissance permet de remorquer jusqu'à quatre remorques sur des lignes rurales au profil parfois tourmenté, dont un certain nombre a été fermé depuis. Ils assurent aussi quelques relations plus importantes, comme des trains grandes lignes, ce qui vaut à six exemplaires d'être intégralement aménagés en première classe.
A partir de 1976, désormais utilisés exclusivement en trafic régional, tous bénéficient d'une profonde rénovation, dans le cadre d'un programme de désenclavement du Massif Central. A l'extérieur, la livrée devient blanche et bleue, avec de nouvelles portes et des feux rouges, tandis qu'à l'intérieur les aménagements sont totalement repris, dans la même veine que ceux des remorques XR 6000 destinées à accompagner ces autorails modernisés ; il existe deux variantes, selon l'importance de la première classe. L'arrivée des X 2100 puis X 2200, pendant les années 80, avec lesquels ils circulent régulièrement, ne change pas les affectations de la série.
Suite à la réforme des rames ETG, quinze engins subissent une ultime amélioration en 1995, avec une vitesse limite portée à 140 km/h, permettant de faire l'intérim deux ans avant que les livraisons de leurs successeurs X 72500 et X 73500 débutent. Les radiations commencent alors en 1998, mais de nombreux éléments bénéficient de sursis, vu les problèmes de fiabilité de leurs remplaçants. Ce ne sera qu'en 2009 que les derniers X 2800 tireront leur révérence en service régulier : très populaires, une vingtaine de ces autorails a été conservée par la SNCF et par diverses associations. A noter que les X 2819 et 2914 sont sauvegardés au dépôt de Nîmes par l'AP 2800 Site de l'AP 2800
| Année | 1957 | 1958 | 1959 | 1960 | 1961 | 1962 |
| Mises en service | 14 | 18 | 15 | 33 | 26 | 13 |
| Parc total en fin d'année | 14 | 32 | 47 | 80 | 106 | 119 |
| Année | 1976 | 1977 | 1978 | 1979 | 1980 |
| Modernisations | 6 | 40 | 41 | 26 | 6 |
| Parc modernisé en fin d'année | 6 | 46 | 87 | 113 | 119 |
| Parc non modernisé en fin d'année | 119 | 73 | 32 | 6 | 0 |
| Année | 1985 | 1992 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 |
| Réformes | 1 | 1 | 1 | 13 | 24 | 7 | 5 | 18 | 3 | 4 | 2 | 6 | 27 | 4 | 2 | 1 |
| Parc restant en fin d'année | 118 | 117 | 116 | 103 | 79 | 72 | 67 | 49 | 46 | 42 | 40 | 34 | 7 | 3 | 1 | 0 |