Destinées à assurer des relations régionales rapides, jusqu'à 200 km/h, les automotrices Z 21500 ont été construites entre 2002 et 2004, avant l'arrivée des rames AGC électriques Z 27500.
Partageant de nombreux éléments avec les automoteurs X 72500, mais bien plus fiables et ayant des face frontales plus arrondies, ces automotrices ont la particularité d'avoir leurs pantographes et leur transformateurs situés en toiture de la remorque, qui dispose d'un plancher surbaissé. Les aménagements intérieurs sont du niveau de ceux des TGV, avec 3 places de front en première classe.
Vu leur prix d'achat élevé, seules les régions Centre, Pays de la Loire, Aquitaine, Bretagne possèdent ces éléments ; d'autres régions qui s'étaient montrées intéressées (Languedoc Roussillon, Rhône Alpes) ont finalement acheté des AGC, moins chers et plus adaptés aux prestations voulues. La région Poitou-Charentes a acheté quelques Z 21500, mais les a rapidement revendus à la région Aquitaine.
Actuellement, le parc des Z 21500 est utilisé à son potentiel maximum, sur des relations rapides en correspondance avec des TGV ; une commande supplémentaire a été envisagée mais n'a pas eu lieu vu le coût de remise en place d'une ligne d'assemblage. La vitesse limite de 200 km/h est effectivement atteinte, ce qui en fait le matériel purement régional le plus rapide existant à ce jour.
Certaines rames devraient être adaptées (pose de la TVM 300) pour circuler sur la LGV Bretagne - Pays de la Loire à partir de son ouverture, prévue pour fin 2016, afin d'assurer des relations Nantes - Angers - Laval - Rennes à 200 km/h. La Z 21505/6 a été la première à en être équipée en 2015.
Les deux motrices sont aménagées de la même façon : derrière le poste de conduite se trouve une petite salle de 12 places de première classe, puis vient la plateforme d'accès, et une salle de 46 places de seconde classe. Au niveau de la plateforme, les motrices paires disposent d'un espace avec distributeur automatique de boissons, tandis que les motrices impaires ont un espace détente de 9 places (canapés en demi cercle).
La remorque, intégralement aménagée en seconde classe, comporte d'abord une salle de 22 places (initialement fumeurs), puis une zone surbaissée, avec un espace vélos et 15 places, puis, à nouveau à niveau normal, une autre salle de 17 places.
Toutes ces rames sont peintes en livrée "TER" gris métallisé et bleu, avec des variantes selon les régions (marquages, logos...).
| Région | Z 21500 | Remarques |
| Aquitaine | 6 / 0 | parc dissous en 2014 |
| Bretagne | 17 / 19 | 2 rames ex Aquitaine |
| Centre | 15 / 17 | 2 rames ex Aquitaine |
| Languedoc Roussillon | 0 | Commande prévue en 2001, annulée |
| Pays de Loire | 14 / 21 | 2 rames ex Aquitaine, 5 ex Poitou Charentes |
| Poitou-Charentes | 5 / 0 | Vendus à Pays de Loire fin 2009 |
| Rhône Alpes | 0 | Commande prévue en 2001, annulée |
| Total | 57 rames |
