En 1966, alors que de nombreuses séries de locomotives Diesel de puissance moyenne sont en cours de réception par la SNCF, l'industrie met au point des moteurs de 4000 Ch. permettant enfin de remplacer les locomotives à vapeur les plus puissantes. De plus, elles permettront de réduire l'utilisation de plusieurs locomotives en tête d'un même train, assez fréquente avec les BB 67000 ou A1A-A1A 68000.
Bénéficiant des dernières techniques, les CC 72000, construites par Alsthom à partir de 1967, ont un alternateur entrainant des moteurs de traction à courant continu par l'intermédiaire de ponts redresseurs. Comme pour la plupart des engins de cette époque, les bogies ont un seul moteur, ce qui permet d'utiliser un système de double rapport donnant une vitesse de 85 km/h en régime marchandises et de 140 km/h en régime voyageurs.
Jusqu'en 1974, 92 engins sont reçus, prenant en charge les nombreux trains grandes lignes encore assurés en traction Diesel ; les engins de la seconde tranche (72021 à 92) sont d'ailleurs rapidement autorisés à 160 km/h. L'arrivée des turbotrains RTG n'a pas d'impact, ces rames ayant une capacité parfois trop faible par rapport à une rame tractée (c'est ainsi que les CC 72000 ont repris leurs roulements sur la ligne Lyon - Nantes dès 1977).
Les chocs pétroliers relançant les programmes d'électrification, les CC 72000 perdent la plupart de leurs relations les plus longues entre 1980 (électrification de Bordeaux - Montauban) et 1990 (achèvement de Paris - Clermont et des lignes de Bretagne). Elles sont alors davantage utilisées en service marchandises, même si les liaisons Paris - Mulhouse - Bâle et Lyon - Nantes restent à leur actif.
A la fin des années 90, la majorité de la série est affectée à l'activité Fret (même si leur vitesse limitée à 85 km/h est handicapante), tandis qu'une trentaine reste affectée à l'activité Grandes Lignes. Afin de leur donner un rajeunissement bénéfique, trente de ces engins ont été modernisés en CC 72100 entre 2002 et 2004. Trois autres machines (les 72061, 62 et 64) ont été spécialement utilisées entre 1999 et 2005 pour remorquer des rames TGV Atlantique entre Nantes et Les Sables d'Olonne (pose d'un attelage automatique et d'un système d'alimentation de la rame).
Pour les 62 CC 72000 restantes, vieillissantes, le déclin a ensuite été rapide : bon nombre d'engins sont arrivés à limite de parcours avant révision, ou victimes d'avaries diverses. L'activité Fret, victime d'une très forte baisse du trafic, s'est séparée de la plupart de ses machines, leur préférant des BB 67400 (pouvant effectivement rouler à 100 km/h) ; les engins ayant le meilleur état ont été vendus aux chemins de fer marocains (ONCF). Quant aux engins spécialisés aux trains de voyageurs, ils ont été remplacés par des CC 72100 ou des automoteurs type AGC. La 72084 a été conservée en livrée d'origine afin d'assurer des trains spéciaux et de pouvoir être exposée lors de la Coupe du Monde de Rugby en 2007.
Début 2010, seules quatre machines restaient en service actif, dont la CC 72084 utilisée pour les acheminements de matériels vides. Une dizaines de machines étaient en ouvre conservées par l'activité Fret pour faire face à des besoins ponctuels dans le centre de la France.
En 2011, suite à la réforme des machines Fret en juin, seules quatre machines sont susceptibles d'être encore utilisées pour des trains spéciaux ou suppléer les 72100. Après le retrait de ces dernières, trois machines sont maintenues à l'inventaire toujours pour ces trains spéciaux. La CC 72064 est sauvegardée à Lyon par l'association ARCET.
| Année | 1967 | 1968 | 1969 | 1970 | 1971 | 1972 | 1973 | 1974 |
| Mises en service | 1 | 9 | 21 | 20 | 18 | 5 | 12 | 6 |
| Parc total en fin d'année | 1 | 10 | 31 | 51 | 69 | 74 | 86 | 92 |
| Année | 1982 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 |
| Transformations en CC 72100 | 0 | 1 | 14 | 15 | ||||||||
| Réformes | 1 | 1 | 1 | 3 | 13 | 8 | 8 | 5 | 4 | 3 | 11 | 1 |
| Parc restant en fin d'année | 91 | 89 | 74 | 56 | 43 | 35 | 27 | 22 | 18 | 15 | 4 | 3 |
Toutes reçues dans une livrée bleue à motifs blancs et gris foncé dessinée par Paul Arzens, les vingt première machines comportaient des baies aux angles des cabines, contrairement aux engins suivants (elles furent supprimées dès 1974 à 1976 pour renforcer la cabine en cas de choc). A partir du milieu des années 80, cette décoration, globalement conservée, a évolué en abandonnant les plaques latérales, remplacées par un marquage peint avec le logo "nouille", tandis que le logo frontal est supprimé ou peint en bleu foncé.
Pour le 14 juillet 1989, la CC 72030 a reçu une livrée évènementielle : une partie de la caisse (y dont toute celle en gris foncé) est recouverte par du papier autocollant rouge, qui s'harmonise avec les motifs blancs et bleu foncé pour former le drapeau français ; d'autres parties des motifs blancs sont occultées. En outre, un bandeau blanc en biais est apposé au milieu des flancs de la machine, formant de support pour le motif des "oiseaux de Folon", symboles de cette célébration du bicentenaire de la Révolution Française. Cette décoration n'a été conservée que quelques jours, et son principe a été repris par la technique du "pelliculage" présente aujourd'hui sur bon nombre de matériels.
Figurant parmi les dernières machines à être restées en état d'origine avec des plaques d'immatriculation en relief, la CC 72084 est désignée comme "machine témoin" devant à terme rejoindre le musée de Mulhouse : lors de sa révision générale en 1994, elle conserve la décoration d'origine.
En 1995, alors que les engins passant en révision gardent la livrée bleue mais avec le nouveau logo "casquette" sur les flancs, la CC 72006 est désignée tout comme la BB 67373, pour expérimenter une nouvelle décoration assortie à celle adoptée sur les voitures Corail rénovées : caisse gris métallisé et gris foncé avec filet blanc et motifs bleu ciel sur les faces avant et latérales. Cette décoration dite "Corail +" sera finalement retenue pour cinq autres engins (application de 1996 à 2001) mais avec de légères différences et des motifs rouges, comme pour les machines électriques.
En 2001, l'activité Fret adopte sa propre livrée, verte et grise avec une bande blanche en biais sur les cotés, et une bonne partie de ses CC 72000 la reçoivent (y compris la 72006). L'activité Grandes Lignes, elle, retient la livrée "en voyage" un an plus tard, certains engons étant temporairement uniquement peints en livrée métallisée (surnommée "fantôme"). La transformation en CC 72100 a entrainé la disparition de la livrée Corail +, toutes les machines remotorisées recevant la nouvelle livrée. Quant à la 72084, elle conserve sa livrée d'origine (rafraichie il y a quelques années).