Devenues obsolètes, les infrastructures de la majorité des lignes du réseau de banlieue Ouest (gare St Lazare), électrifiées en 750 V continu par troisième rail durant les années 20, nécessitaient d'être totalement refaites à la fin des années 70. Il fut alors choisi de convertir toutes les lignes à une électrification par caténaire, en 25000 V 50 Hz, sans pour autant interrompre le service.
Quant au matériel choisi, il fut décidé de rompre avec la formule traditionnelle n'utilisant qu'une seule motrice associée à deux ou trois remorques : les performances, notamment en accélération, auraient été trop pénalisantes sur des lignes souvent encombrées, et les travaux de ré électrification n'arrangeaient rien. Les nouvelles rames comportent donc une motrice à chaque extrémité, encadrant deux remorques (ayant chacune 102 places de seconde classe), d'où de très bonnes performances (les 180 km/h ont été atteints en essais). Le redressement du courant s'effectue avec la dernière technique disponible à l'époque, celle des thyristors. Une des motrices (numéro impair) comporte 72 places de première classe et un compartiment fourgon, tandis que la motrice paire a 88 places de seconde classe. Les caisses sont toujours en acier inoxydable, mais en partie peintes en bleu, et les moteurs de traction repris des Z 5300.
Restant performantes mais accusant le poids des ans, 72 rames ont subi une profonde rénovation entre 1999 et 2004. Les caisses sont maintenant partiellement peintes en blanc et bleu sombre, avec des portes rouges, tandis que les aménagements intérieurs sont revus, avec quatre places de front au lieu de cinq. Les trois rames restantes ont subi une modernisation plus spécifique, afin d'être utilisées sur la ligne de la Grande Ceinture Ouest, rouverte au trafic voyageurs.
A noter que ce fut le dernier matériel à un seul niveau conçu pour la banlieue parisienne jusqu'aux Z 50000 reçues à partir de fin 2009. A terme, d'ailleurs, ce matériel remplacera les Z 6400, la commande de 43 rames courtes fin 2013 étant destinée à cet effet et permettant d'entamer les réformes en 2016.
L'arrivée de Z 22500, chassées du RER E lors de son achèvement, et mises à quatre caisses aurait pu remplacer les Z 6400 sur les relations les plus chargées si le prolongement du RER E et l'arrivée d'un nouveau matériel correspond avec la réforme des Z 6400. Cette hypothèse fut finalement balayée au profit d'une commande supplémentaire de Z 50000 destinée à remplacer les dernières Z 6400 qui disparurent fin 2020.
| Année | 1976 | 1977 | 1978 | 1979 |
| Mises en service | 25 | 27 | 14 | 9 |
| Parc total en fin d'année | 25 | 52 | 66 | 75 |