Ces rames ont débuté leur carrière d'une curieuse manière : sans motrices. Les voitures à deux niveaux, les ZR, sont dérivées des VB 2N, et ont donc été livrées rapidement. Afin de profiter de ce matériel sans attendre les motrices qui furent plus longues à concevoir, la SNCF a décidé d'exploiter ses ZR avec une BB 8500 à chaque extrémité. Cette situation a duré de 1982 à 1984 sur la banlieue Sud-Est et en particulier sur la ligne Paris - Melun via Combs. À la livraison de la paire de motrices Z5631/2 fin 1984, quinze rames étaient exploitées en composition Motrice + 3 ZR + Motrice, sur l'ensemble du réseau Paris-Sud-Est.
À partir de 1984, ce fut au tour du RER C de recevoir 35 rames Z 5600, qui ont permis de soulager les Z 5300, surtout en heures de pointes.
Au début des années 1990, devant l'explosion du trafic vers la grande banlieue, la SNCF envisageait de commander de nombreuses V 2N. Cependant, la livraison massive de Z 20500, ainsi que l'interconnexion du RER D prévue pour 1995 et qui nécessitait des rames bicourant, allait libérer les Z 5600 de Villeneuve des mission de banlieue. De plus, contrairement à ces dernières, les motrices des Z 20500, livrées depuis 1988, avaient été conçues avant leurs ZR (dites longues), et donc ont reçu pour certaines des ZR de Z 5600 (dites courtes). La SNCF a donc décidé de récupérer certaines ZR courtes et de les affecter aux Z 5600 afin de passer leur composition à six caisses, les Z 20500 concernées récupérant de nouvelles ZR longues.
Enfin progressivement, les Z 5600 ont délaissé les missions de banlieue (sauf aux heures de pointes) pour celles de grande banlieue, remplaçant les rames tractées RIB ou VB 2N. Cependant le rajout d'une caisse ne s'est pas fait pas sans conséquences, notamment pour les motrices qui ont connu quelques soucis de fiabilité et ont surtout perdu un peu de mordant à l'accélération, compensé par le nombre moins important d'arrêts de leurs nouvelles missions qui les emmenaient désormais jusqu'à Montargis, Montereau et Laroche-Migennes.
De leur côté, les Z 5600 des Ardoines ont subi, durant la deuxième partie des années 1990, un renforcement de leur freinage. De plus l'ensemble du parc a subi une légère modification de livrée de 1994 à 1997 : la face de la motrice a été repeinte de manière identique à celles des Z 20500, et les rames de Villeneuve ont reçu le logo RER sur les flancs…
En 2001, le RER C et plus particulièrement la mission Versailles-RG - Juvisy - Versailles-Chantiers était encore assuré en Z 5300. Ce matériel présentant des signes d'usure caractérisée, la SNCF envisageait son remplacement par des Z 5600 libérées par la livraison des nouvelles Z 20900. Cependant la section de la ligne entre Massy et Versailles-Chantiers présentait un défaut d'exploitation : elle n'avait pas de sous-station électrique, et était donc sous-alimentée en courant électrique. Or, si la ligne acceptait des Z 5300 en unités multiples ou des Z 2N en unités simples, on ne pouvait faire circuler plusieurs Z2N en UM sous peine de faire disjoncter le réseau électrique sur ce tronçon. De plus il n'était pas envisageable de remplacer une UM de Z 5300 par une US de Z 5600, la capacité étant trop réduite aux heures de pointe.
La SNCF a donc décidé de rajouter 2 caisses sur 20 rames Z 5600, afin de garder une capacité équivalente aux Z 5300 sans ajouter de motrices. Cependant, contrairement aux années 1990, il n'y avait plus de ZR disponibles. Or à la même époque, suite à la mise en route du RER E notamment, de nombreuses VB 2N ont été libérées. Ces dernières présentant de nombreuses similitudes avec les ZR, elles ont été incorporées aux rames Z 5600 concernées qui sont donc passé à 6 caisses elles aussi. Cette opération, nommée Evolys, a eu lieu de 2001 à 2002 et a chassé les Z 5300 du RER C.