Le parc de locomotives rapides fonctionnant sous 25000 V 50 Hz, utilisées dans l'Est de la France, se révélant limité aux 62 BB 16000, la commande de nouveaux engins était nécessaire à la fin des années 60. Plutôt que de commander des locomotives type CC 14500, de conception plus traditionnelle, et pas forcément adaptées, la SNCF choisit de privilégier l'innovation : le développement de l'électronique de puissance permettait de concevoir des engins plus performants, équipés de hacheurs de courant entraînant toujours des moteurs de traction à courant continu.
Les premières années des BB 15000 sont perturbées par de nombreux essais permettant leur mise au point. A partir du milieu des années 70, elles seront enfin capables d'assurer la plupart de services possibles, et se révèleront même comme étant les locomotives les plus fiables au monde, avec un taux de pannes inférieur à trois pour un million de kilomètres parcourus. En 1978, les dernières BB 16000 quittent le dépôt de Strasbourg et les BB 15000 s'emparent de la quasi totalité des trains grandes lignes roulant sur le réseau Est, et font même occasionnellement des incursions sur le réseau Nord.
Vu son caractère novateur, la série des BB 15000 a été utilisée dans de nombreuses campagnes d'essais, notamment pour la mise au point des différentes générations de rames TGV. Quelques machines ont aussi été utilisées comme prototype : la 15007 est devenue entre 1974 et 1998 le prototype BB 7003 (prototype BB 7200 puis des BB 22200 une fois associée à une autre BB 15000) puis BB 10003 (moteurs asynchrones), tandis que la 15055 a été entre 1982 et 1989 le prototype BB 10004.
Après avoir passé plus de trente ans en tête de la plupart des trains de voyageurs entre Paris et l'Est et le Nord de la France, l'ouverture de la ligne TGV Est en 2007 bouleverse l'utilisation de la série, qui perd la quasi totalité des convois grandes lignes sur le réseau Est. Une partie des machines peut donc être mutée au dépôt d'Achères, où elles remplaceront en partie les BB 16000 et 16100 utilisées au départ de Paris Nord et Paris St Lazare, et feront aussi leur apparition sur la ligne Paris - Caen - Cherbourg où ne roulaient que des BB 26000. 24 de ces machines sont alors équipées de la réversibilité MUX (multiplexage), d'abord pour remorquer les rames de voitures express à deux niveaux (V2N auparavant associées aux BB 16100), puis les Corail après transformation (voitures pilotes B6Dux VU 75 ex "réversibilité à câblots").
Fin 2011, avec l'ouverture de la LGV Rhin - Rhône, les dernières machines quittent le dépôt de Strasbourg, la série étant regroupée sur le Nord et l'Ouest... comme les BB 16000 plus de trente ans auparavant. Seuls quelques engins continuent à rouler sur l'amorce de la ligne Paris - Strasbourg en tête de trains "TER Vallée de la Marne".
Dix autres engins devraient recevoir en 2013 - 2014 la réversibilité en vue de remorquer des rames de voitures VO2N spécialement adaptées, ce qui permettra de remplacer les BB 17000 affectées aux TER Haute Normandie.
Même si la série a enregistré une baisse des kilométrages parcourus (les trajets sont plus courts), elle n'en reste pas moins encore très utilisée, tant en service grandes lignes que régional. Elles ne sont d'ailleurs pas assez nombreuses pour évincer totalement les BB 16000, des BB 22200 devront arriver en renfort sur le réseau Nord.
A terme, la série devrait être regroupée en deux lots avec quelques machines non réversibles sur les TER Vallée de la Marne, et la trentaine de locomotives réversibles sur le réseau Ouest. Quant aux autres machines, non réversibles, utilisées sur les trains Intercités, elles seront fortement concurrencées sur l'Ouest par les BB 26000 (d'autant plus que la majorité des Paris - Caen - Cherbourg peuvent rouler à 200 km/h), et sur le Nord par des BB 22200 sortant de révision et par les nouveaux automoteurs Régiolis qui devraient reprendre les Paris - Boulogne.
Les premières unités livrées ayant dépassé les quarante ans, des radiations ne sont pas à exclure, en particulier pour la tranche 15006 à 15025, dont aucune n'est équipée de la réversibilité. Début 2014 ont en effet été prononcées les deux premières réformes (BB 15008 et 15018). Le retrait de la quinzaine de machines Intercités non réversibles utilisées sur la Normandie a été envisagé pour 2015 mais n'a finalement pas eu lieu malgré le grand nombre de BB 26000 disponibles. En revanche, l'arrivée d'automotrices Regio 2N sur les relations en Picardie et en Normandie devrait mettre un terme à l'utilisation d'une bonne partie de la série.
| Année | 1971 | 1972 | 1973 | 1974 | 1975 | 1976 | 1977 | 1978 |
| Mises en service | 3 | 3 | 8 | 4 | 16 | 18 | 0 | 15 |
| Parc total en fin d'année | 3 | 6 | 14 | 18 | 34 | 50 | 50 | 65 |
Ces chiffres comprennent des locomotives qui ont été ensuite transformées en prototypes BB 7003 puis 10003, et BB 10004.
Les cinq premières BB 15000 ont été livrées peintes en vert sombre, avec des bandes blanches et des plaques en relief : une livrée proche de celle des CC 6539 à 6559 "Maurienne". Les engins suivants ont reçu une livrée grise, orange et rouge assortie à celle des voitures Grand Confort et des CC 6500 et 21000. Plusieurs variantes ont existé quant aux persiennes latérales : en plastique pour les 15001 à 15, en aluminium mais décentrées pour les 15016 à 50, et centrées pour les 15051 à 65 (comme sur les BB 7200 et 22200). A noter que ces engins n'ont qu'un seul pantographe, pour des raisons de poids, ce qui malgré tout n'a guère d'incidence sur leur fiabilité.
Après deux essais de livrée "béton" grise et orange sur les BB 15034 et 15040, la livrée Corail + a été appliquée à la majorité des engins entre 1996 et 2003 (avec quelques variantes), qui ont tous reçus des persiennes centrées, en inox. Depuis 2003, les engins passant en révision générale reçoivent la livrée "en voyage".
