Anticipant l'essor des liaisons TGV, la SNCF étudie dès 1987 la possibilité d'utiliser à grande vitesse des rames à deux niveaux. Quelques remorques prototypes sont testées dès 1992 en compagnie des motrice de la rame Atlantique 330 puis de la première rame Réseau (501), ce qui débouche sur la commande de trente rames.
Livrée en 1996, la première rame Duplex innove avec de nouvelles faces frontales, aux formes arrondies, et avec un pupitre de conduite placé au centre ; le reste de la motrice est identique à une motrice Réseau bicourant, avec laquelle elle est échangeable. Initialement (projet de 1989 - 1990), les motrices auraient dû être identiques, mais il a été décidé en 1992 d'opter pour cette cabine à pupitre central pour des raisons d'esthétique et de compatibilité avec les futurs standards ferroviaires européens.
Il y a toujours trois remorques de première classe et quatre de seconde classe, l'intercirculation se faisant au niveau supérieur. La remorque bar a un seul niveau (correspondant à l'étage), la partie inférieure servant de local technique. Les aménagements intérieurs sont dans le même style que les TGV Réseau : gris foncé et rouge en première, gris clair et vert en seconde. Par contre, le bar est différent (il occupe tout l'étage, le rez-de-chaussée étant réservé à des appareillages) et il n'y a plus de "Carrés" équipés de cloisons.
Engagées sur les liaisons les plus chargées, entre Paris et le Sud Est, l'ouverture de la ligne Méditerranée en 2001 accroît encore leur charge de travail, même si la série est complétée jusqu'en 2006 par 49 autres unités identiques. Ensuite, ce sont des rames RD et DASYE reprenant les mêmes remorques à deux niveaux qui ont constitué la suite des livraisons.
Matériel le plus utilisé, avec des pointes à 50 000 km par mois, les premières rames construites devraient bénéficier d'une rénovation dans les prochaines années (depuis mi 2013, un passage en révision mi vie a lieu sans modification autre que l'adoption de la nouvelle livrée "carmillon"). Toutes ont vu leur vitesse limite portée à 320 km/h pour être utilisées sur la LGV Est et sur la section d'essais Avignon - Aix.
Courant 2012, les rames 219 à 222 ont échangé leurs remorques avec celles de quatre rames série 700 (DASYE, N°721 à 724), leur tronçon d'origine étant réaménagée pour effectuer un service "low cost" (rames TGV Haute Densité). Encadrant les remorques "ex DASYE", les motrices 219 à 222 sont renumérotées 290 à 293. Fin 2015, la rame 2015 a reçu à titre provisoire la même livrée que ces rames OUIGO mais conserve ses aménagements d'origine en attendant la transformation de rames supplémentaires.
Une vingtaine de rames ayant déjà reçu la livrée "carmillon" devrait être réaménagées sur le modèle des nouvelles rames série 850, avec deux remorques et demi de première classe, d'où une capacité portée à 556 places. Elles seront utilisées aux côtés des nouvelles venues sur les relations empruntant la LGV Sud Europe Atlantique en remplacement des rames Atlantique.
Victime d'un incendie, la rame 255 a eu une de ses motrices remplacée par la motrice de réserve Réseau pendant plusieurs années puis a reçu fin 2012 des motrices neuves type DASYE, d'où une renumérotation en "750", la motrice d'origine intacte étant gardée en réserve.
| Remorque | Aménagements |
| 291200 (R1) | 1ere classe (24 places en bas, 38 en haut) |
| 292200 (R2) | 1ere classe (28 places en bas, 32 en haut) |
| 293200 (R3) | 1ere classe (28 places fumeurs avant 2005 en bas, 32 en haut) |
| 294200 (R4) | voiture bar non fumeur (à l'étage) ; en bas, appareillages électriques |
| 295200 (R5) | 2eme classe (38 places fumeurs avant 2005 en bas, 38 et local contrôleur en haut) |
| 296200 (R6) | 2eme classe (38 places en bas, 42 en haut) |
| 297200 (R7) | 2eme classe (38 places en bas, 42 en haut) |
| 298200 (R8) | 2eme classe (38 places en bas, 54 en haut) |