Avec l’expansion du trafic omnibus autour des grandes agglomérations, l’implantation des nouveaux éléments doubles Z 2 monophasé Z 11500, commandés à 22 exemplaires par la SNCF, avait permis d’éliminer nombre de compositions tractées réversibles ou non, voire de circulations d’autorails sous caténaires. Disposant d’un aménagement de qualité, comparable aux versions de Z 2 continu et bicourant, ces nouveaux engins de 1 200 kW, aptes à 160 km/h, offrant 24 places de 1re classe et 128 de 2de, étaient coupables au plus par trois. Affectés en bloc au dépôt de Thionville de décembre 1986 à début 1988, ils vont assurer avec brio du service omnibus et de petits express en Lorraine, Alsace et Champagne-Ardenne, débordant en Suisse, à Bâle, au Luxembourg, ainsi qu’à Besançon sur territoire Sud-Est. Mais leur nombre étant insuffisant, la SNCF devra affecter à Thionville un lot de Z 6300 provenant de la banlieue Saint-Lazare, peu goûtées de la clientèle, pour couvrir en complément des mouvements locaux autour de Metz, Nancy, Thionville. Employées en interpénétration avec les éléments Z 2000 des CFL, les Z 2 arpentent également un moment les lignes du réseau grand-ducal, se rendant à Athus, Wasserbillig, Ettelbrück, Troisvierges.
Après avoir été revêtue de la livrée TER jaune litho, la série, partagée entre les régions Lorraine (16), Alsace (quatre) et Champagne-Ardenne (deux), est repeinte en livrée spécifique TER à compter de 2004, avec réaménagement des espaces voyageurs. L’année suivante, les engins, profitant de l’électrification des antennes vosgiennes, poussent de Nancy à Épinal, Remiremont et Saint-Dié. En 2012, l’ensemble de la série est prise en compte par la supervision de Metz (SMN).
Avec la livraison des éléments automoteurs modernes (Z 24500, 27500, B 82500, 83500, 84500), le rôle des Z 2 va en s’amenuisant. Au seuil de leurs 30 printemps, les Z 11501, 11505, 11506, 11512, 11516, ont été les premiers radiés fin 2017 des inventaires avec près de 3 millions de km parcourus. Avec le renforcement envisagé du parc AGC Lorraine par mutation d’éléments Z 26500 Centre, la liquidation des autres Z 11500 interviendra ces toutes prochaines années.