Engagées dès leur livraison sur les trains les plus prestigieux de la ligne Paris - Lyon - Marseille, dont le Mistral, les CC 6500, fleuron du parc de la SNCF, firent ensuite leur apparition sur la Transversale Sud au milieu des années 70 notamment en tête de trains Marseille - Toulouse.
L'arrivée des premières BB 7200 et 22200 en 1977, puis surtout l'arrivée des TGV Sud Est en 1981-1982 leur fit perdre une bonne partie des trains les plus nobles, mais les CC 6500 y ont assuré un service grandes lignes jusqu'à la fin des années 90 sur les Corail Bordeaux - Marseille et les quelques-uns maintenus dans la vallée du Rhône.
En parallèle, ces machines ont aussi assuré une part importante du trafic marchandises sur la Transversale Sud et sur les deux lignes de la vallée du Rhône, finissant par être toutes affectées à Fret SNCF en 1999. Elles remorquaient notamment les "trains cargos" de 2400 tonnes reliant les raffineries de l'étang de Berre à Toulouse ou Dijon.
En 2004-2005, alors que le trafic marchandises s'effondre, provoquant le début de réforme anticipée de la série, quelques machines firent leur retour en service voyageurs en étant affectées aux TER Rhône Alpes. Cela permit de les revoir entre Lyon et Avignon jusqu'en juillet 2007 en tête de rames hétéroclites, mêlant voitures UIC, USI, VSE et Corail de diverses livrées.