A la fin des années 50, les électrifications battent leur plein sur le réseau Nord Est, le choix du 25000 V monophasé se révélant être une réussite. Du côté des engins moteurs, les plus réussis sont les BB 12000, qui sont à la fois performances et peu coûteuses en entretien. Pour assurer le trafic supplémentaire, plutôt que de commander encore des BB 12000, la SNCF préféra finalement acquérir une version simplifiée et améliorée, fabriquée par Alsthom.
Les BB 16500 ont ainsi une apparence bien plus conventionnelle que les "fers à repasser" typiques des débuts du monophasé. Le principe de redresseurs alimentant des moteurs de traction à courant continu est repris des BB 12000, mais avec là encore des tergiversations (redresseurs à ignitrons puis finalement diodes au silicium). il en a d'ailleurs été de même pour leurs "grandes sœurs", les BB 16000 dédiées aux trains rapides.
Les bogies monomoteurs sont une nouveauté, apparue à la même époque sur les BB 9400 : ils permettent de gagner en frais de maintenance par rapport à une locomotive BB à quatre moteurs comme une BB 12000. De plus, un dispositif permet de choisir (à l'arrêt) entre deux rapports de réduction : un dit "petite vitesse" (PV), limité à 90 km/h (puis 100 à partir du milieu des années 80) pour la traction de tains de marchandises, et un "grande vitesse" (GV), pour les trains rapides jusqu'à 140 km/h (le 150 avait été prévu initialement, mais la tenue de voie des machines ne permet pas de rouler à de telles vitesses). En outre, les BB 16500 peuvent circuler en unités multiples (UM), ce qui donne un engin de 5100 kW bien plus performant et rapide qu'une CC 14100. La caisse, aux formes cubiques, est prévue avec des panneaux démontables pour faciliter la maintenance. L'utilisation en réversibilité est aussi possible avec des rames ex Est et Nord adaptées, puis des rames neuves type RIB.
A noter qu'une machine, la 16540, a été un temps transformée en locomotive bicourant sous le numéro 20004, mais a été remise au type depuis, tandis que la 16655 sortait d'usine sous le numéro CC 10002, expérimentant la partie mécanique des CC 40100. La 16700, elle, est légèrement plus longue (petits capots aux extrémités) car possédant un châssis renforcé afin de participer à des essais d'attelage automatique durant les années 70.
Pendant une très longue période de plus de quatre décennies, les BB 16500 ont assuré toutes sortes de trafics, allant des trains de marchandises lourds (en UM) aux omnibus en passant par le service en banlieue parisienne. A partir de 1978, la livraison des rames RIO achetées par la région Nord Pas de Calais permet à une partie de la série d'être intensément utilisées en trafic régional, tandis que les express sont abandonnés aux séries plus prestigieuses comme les BB 15000.
Malgré la chute du trafic marchandises (surtout sur un réseau Nord Est très dépendant des industries minières et sidérurgiques), les BB 16500 ont gardé une place importante dans ce domaine, prenant progressivement la relève des CC 14100 et BB 12000 radiées pendant les années 90. Il faudra attendre la livraison des BB 27000 et 37000 pour que l'activité Fret se sépare de ses engins. Les machines utilisées en Ile de France (seule la 16583 avait revêtu la livrée propre à cette activité) ont été remplacées en 2006 - 2007 par des BB 17000, elles- mêmes libérées par des BB 27300.
Les BB 16500 furent alors utilisées exclusivement en service régional avec des rames RIO, RRR ou VR2N et progressivement remplacées par des BB 25600 ou des automoteurs neufs. Les dernières BB 16500, affectées au dépôt de Lens, seront réformées mi 2011. La BB 16678 est exposée sur une place à Magenta (Marne), restaurée avec l'aide de l'association ARCET.
| Année | 1958 | 1959 | 1960 | 1961 | 1962 | 1963 | 1964 |
| Mises en service | 12 | 35 | 31 | 72 | 54* | 53 | 37 |
| Parc total en fin d'année | 12 | 47 | 78 | 150 | 204 | 257 | 294 |
* Nota : ces chiffres incluent la BB 16655 qui a été livrée en 1962 en tant que CC 10002 avant d'être remise au type BB 16500 en mars 1970, et la BB 16540 qui fut transformée en BB 20004 peu après sa livraison en 1959 et remise au type en 1969.
| Année | 1997 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 |
| Réformes | 1 | 2 | 29 | 67 | 25 | 45 | 10 | 22 | 21 | 46 | 21 | 5 |
| Parc restant en fin d'année | 293 | 291 | 262 | 195 | 170 | 125 | 115 | 93 | 72 | 26 | 5 | 0 |
