D'abord utilisées en service mixte, remorquant des omnibus et trains supplémentaires en plus des marchandises, ces machines sont apparues en même temps que la traction électrique sur le réseau Sud Est, gagnant Avignon en 1959 et Marseille en 1962, mais ne semblaient pas être utilisées à l'époque sur la Transversale Sud : elles ne furent d'abord que peu présentes au Sud de Lyon, car fortement concurrencées par les BB 9400.
En 1983, des BB 8100 furent affectées à Avignon afin de remplacer en service marchandises une partie des BB 9400. Elles étaient utilisées vers Lyon et Paris via les deux rives du Rhône, Toulouse, Miramas (via Arles ou Cavaillon), Fos, et Marseille. Parmi leurs utilisations figuraient des trains de 3200 tonnes Pas des Lanciers - Dijon, ou les trains d'ordures pour la décharge d'Entressen.
Les réformes commencèrent en 1988, mais furent assez lentes, la série survivant finalement aux BB 9400 et CC 7100, continuant à gagner Lyon, St Etienne et Toulouse jusqu'en 2001, à l'arrivée des premières BB 27000. Ces engins ont circulé jusqu'à fin 2003, les dernières prestations eurent lieu autour de Lyon et entre Nîmes, Avignon, Miramas et Fos par tous les itinéraires possibles.
Trois machines ont ensuite été conservées pour le dégivrage des caténaires et restèrent à l'inventaire jusqu'en 2011.