Ultime évolution des locomotives type "BB MIDI" dont la conception remonte aux années 20, un prototype BB 0401 rapidement renuméroté BB 8001 est livré à la SNCF en 1947 dans le cadre de l'électrification Paris- Dijon - Lyon.
Disposant d'une puissance et d'une vitesse accrues, cette machine donne entière satisfaction, si bien qu'au total 171 unités numérotées dans la série BB 8100 seront fabriquées jusqu'en 1955. Outre le trafic marchandises, leur vitesse leur permet également d'assurer certains trains de voyageurs. Elles sont en grande majorité affectées au réseau Sud Est, où elles seront regroupées à partir du milieu des années 60, suite à l'introduction de séries plus rapides comme les BB 9400 puis 8500. A cette époque, il est décidé de dédier la série au trafic marchandises, avec pose d'appareillages permettant la circulation en unités multiples (UM) et d'un système d'antipatinage.
Les nouvelles électrifications en 1500 V continu, réalisées jusqu'au début des années 80, permettent d'accroître le champ d'utilisation des BB 8100, malgré la présence de séries plus puissantes et plus modernes comme les BB 7200 et CC 6500. Au même moment, certaines reçoivent une décoration en gris béton à bandes orange à la place de la livrée vert sombre d'origine.
Les radiations, commencées en 1988 suite à la livraison des BB 26000, n'ont concerné que peu de machines pendant les premiers années, la SNCF préférant d'abord éliminer les BB 9400 plus récentes mais bien moins appréciées. Quelques unités sont utilisées en région parisienne pour manœuvrer des rames vides, ce qui débouchera sur la transformation entre 1995 et 1997 de 12 engins en BB 80000 (une seconde tranche de 17 avait été prévue).
Le restant du parc, affecté à l'activité Fret de la SNCF (préfixe 4), a vu ses derniers engins disparaître en 2003, suivi dans la foulée par les BB 8100 utilisées en manœuvres. A partir de cette date, outre la série BB 80000, seules trois machines restèrent à l'inventaire jusqu'à fin 2011 : propriétés de l'activité Infrastructure, elles sont destinées à être remorquées par des engins thermiques afin de racler le givre parfois présent l'hiver sur les caténaires.
| Année | 1947 | 1948 | 1949 | 1950 | 1951 | 1952 | 1953 | 1954 | 1955 |
| Mises en service | 1 * | 2 | 17 | 51 | 43 | 21 | 11 | 22 | 4 |
| Parc total en fin d'année | 1 | 3 * | 20 * | 71 * | 114 * | 135 * | 146 * | 168 * | 172 * |
* dont prototype BB 0401 livré en 1947 et radié en 1993
| Année | 1988 | 1989 | 1991 | 1993 | 1994 | 1995 | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2011 |
| Réformes | 5 | 2 | 4 | 9 | 8 | 2 | 11 | 15 | 15 | 45 | 14 | 6 | 3 | 9 | 9 | 3 |
| Transformations en BB 80000 | 3 | 8 | 1 | |||||||||||||
| Parc restant en fin d'année | 167 | 165 | 161 | 152 | 144 | 139 | 120 | 104 | 89 | 44 | 30 | 24 | 21 | 12 | 3 | 0 |