Les sont des rames automotrices à deux niveaux bicourant (courant continu) et (courant monophasé) destinées au service RER et Transilien. Ces rames constituent le matériel ferroviaire voyageurs le plus important en nombre en Île-de-France après les et circulent sur de nombreuses lignes de la région. Familières aux usagers du réseau francilien, elles ont été fabriquées de à à ( à ). Six autres rames de type similaire à quatre caisses longues, les , livrées puis acquises en par la région Nord-Pas-de-Calais, ont été transformées en en .
Histoire Pour la mise en service de la branche nord de la ligne C du RER, la SNCF commande une première série d'automotrices à deux niveaux bicourant, aptes à circuler sur le réseau sud-ouest électrifié en continu, et sur le réseau nord, électrifié en alternatif. Cette première série, baptisée Z 8800 et qui donne entière satisfaction conduit l'exploitant à commander une nouvelle gamme d'automotrices aux mêmes caractéristiques pour les futures dessertes envisagées et le renouvellement d'un matériel vieillissant.
vignette|gauche|La salle haute d'une motrice d'origine. Ces rames de seconde génération disposent des dernières évolutions techniques, dont une chaîne de traction asynchrone. Leur couplage possible avec toutes les séries d'automotrices à deux niveaux leur confère une grande souplesse d'exploitation. Elles sont couplables avec des Z 5600 (aptes au seul ), Z 8800 et avec les plus récentes Z 20900. Leur esthétique, dessinée par MBD design, est plus anguleuse que celle des séries précédentes. Les 84 premiers éléments (sans compter ceux avec les remorques courtes) sont dépourvus de bourrelets d'intercirculation et du troisième phare frontal. Quelques années plus tard, les rames de voitures à 2 niveaux (V 2N) dérivent directement de ces remorques.
Les 42 premières rames sont livrées de 1988 à 1990 aux dépôts des Joncherolles (réseau Nord) et des Ardoines (réseau Sud-Ouest). Les éléments livrés au dépôt des Joncherolles permettent de transférer les Z 8800, provisoirement utilisés vers Orry-la-Ville, qui sont alors renvoyés sur la ligne C du RER. L'ouverture de la ligne D du RER, entre Châtelet et Villiers-le-Bel en 1987, voit les Z 20500 à quatre caisses circuler entre Paris-Nord et Châtelet sur le domaine de la RATP. Lors de l'interconnexion nord-sud du , la composition des rames de la ligne passe de quatre à cinq caisses soit pour deux éléments attelésDe même, pour leurs remplaçantes Z 58500, la valeur dépasse les longueurs prévues pour l'infrastructure dans le projet Barreau de Gonesse..
En , démarre une seconde livraison, mais cette fois avec des remorques dites longues, mesurant au lieu de . Au total, 194 éléments sont commandés.
D'autres rames ont été livrées par la suite, entre 1991 et 1998, pour les lignes C et D du RER et les lignes H et P du Transilien.
En , toutes les rames à remorques courtes rejoignent, avec une partie des Z 8800, la ligne U du Transilien et le réseau Transilien Saint-Lazare. En , six autres rames similaires à quatre caisses et remorques longues, les Z 92050, sont acquises par la région Nord-Pas-de-Calais. Parfaitement identiques extérieurement à l’exception de fenêtres bouchées sur le flanc gauche des motrices à l’emplacement des toilettes situées près des moteurs, elles possèdent en revanche un aménagement différent à quatre places de front de type TER, et ne disposent pas de l'équipement à agent seul (EAS).
En 2003, pour l'amortissement des Z 6100 de la première série sur les lignes H et K, neuf rames à remorques courtes, libérées par des , sont passées de quatre à cinq caisses en leur ajoutant une remorque de VB 2N. En 2007, avec le lancement de la rénovation, puis l'arrivée du Francilien, les neuf rames à cinq caisses des lignes H et K ont été mutées sur le RER D et la ligne R. Les douze rames à quatre caisses des lignes H, J et L sont passées également de quatre à cinq caisses en leur ajoutant une remorque de VB 2N et ont été mutées directement sur le RER D et la ligne R. Sur la ligne P, les rames 179 A et 143 A à quatre caisses ont été mutées sur le RER D, en passant également de quatre à cinq caisses en leur ajoutant une remorque de VB 2N. Entre-temps, les évolutions techniques provoquent la création d'une nouvelle gamme, baptisée Z 20900, livrée de 2001 à 2004, à l'allure quasi identique mais comportant quelques évolutions comme une chaîne de traction asynchrone triphasée utilisant des onduleurs de type IGBT et la ventilation réfrigéréeMagazine Rail Passion, Hors série spécial Île-de-France, novembre 2006 ainsi que des sièges plus confortables.
Enfin, le , le conseil du syndicat des transports d'Île-de-France (STIF) vote l’acquisition des six engins Z 92050 de la région Nord-Pas-de-Calais pour un montant de Synthèse du conseil du STIF du 13 décembre 2012, page 3, consulté le 30 décembre 2012.. À partir de , après rénovation et mise au type Z 20500, elles sont affectées sur la ligne P du Transilien (réseau de banlieue de Paris-Est) permettant de libérer six autres engins à cinq caisses pour équiper la ligne DSTIF : « Adaptation et rénovation de 6 rames Z 2N pour leur exploitation en Île-de-France », délibération 2012/393 du conseil du STIF du 13 décembre 2012, pages 7 et 8. Communiqué de presse du STIF du 5 décembre 2012.« Six rames "ch’tis" au secours du RER D » dans Le Parisien, article du 14 décembre 2012.Encart page 13 dans le du mois de mars 2015 de la revue Rail Passion..
Depuis le , certains Z 20500 issus du parc de matériel roulant du RER C sont en service sur la ligne V du Transilien. alt=Z 20500 80 A (ex 80 D)|gauche|vignette|La rame 80 A (ex 80 D) à Vitry sur Seine.
Le transfert des rames Z20500 sur la ligne C en provenance de la ligne D a débuté en . La rame 80 A (ex 80 D) désormais en composition quatre caisses après le retrait d'une remorque est l'une des premières rames mutées affectée sur la ligne C.
Services anciennement assurés
En , les rames 20561/62 et 20569/70 ont circulé au Danemark. La SNCF avait prêté ces deux rames au DSB, pour une durée de trois semaines, afin que la compagnie ferroviaire nationale danoise puisse tester et découvrir les performances du concept d'automotrices à deux étages sur la ligne du Boulevardbanen entre Elseneur et Roskilde..
Du au , des rames ont assuré le service sur la desserte entre La Défense et La Verrière, de l'actuelle ligne U du Transillien. Dès 1996, elles furent remplacées progressivement par des rames .
vignette|gauche|Z 20500 en livrée d'origine Île-de-France en gare d'Enghien-les-Bains sur la ligne H, en 2010.
De 1991 à 2003, certaines rames ont été utilisées pour assurer des services sur le TER PACA, en particulier sur les dessertes Cannes – Nice-Ville – Vintimille, en attendant les livraisons de nouvelles rames TER à deux étages, afin de faire face à la saturation due à l'augmentation du nombre de voyageurs. Dès l'achèvement des livraisons des nouvelles rames TER, elles sont retournées en Île-de-France.
De 2002 à 2006, certaines rames de Villeneuve ont été régulièrement détachées sur le réseau TER Rhône-Alpes durant l'hiver afin de renforcer la desserte sur les axes « Lyon - Évian » et « Lyon - Saint-Gervais ».
De 1988 à mi-2012, des rames ont assuré le service de la ligne H du Transilien, particulièrement entre Pontoise et Paris-Nord. Durant ces mêmes années, elles assuraient parfois des missions sur la ligne K du Transilien, aux heures de pointe ou en cas d'indisponibilité du matériel habituel affecté à cette ligne.
Premier trimestre 2012 : retrait de tous les éléments Z 20500 de la ligne H du Transilien, en parallèle avec l'arrivée des Z 50000.
Mi- : retrait de tous les éléments Z 20500 de l'axe Paris-Est - Coulommiers, puis réduction du nombre de Z 20500 sur l'axe Paris-Est - Meaux.
Au : retrait de tous les éléments Z 20500 du réseau de Paris-Saint-Lazare. Rénovation vignette|alt=Passage d'une Z 20500 entre Boisseaux et Toury à destination du Technicentre de Saint-Pierre-des-Corps pour rénovation.|Passage d'une Z 20500 entre Boisseaux et Toury à destination du Technicentre de Saint-Pierre-des-Corps pour rénovation. À partir de , les Z 20500 circulant sur la ligne D sont progressivement rénovées : mise en place d'équipements intérieurs, tels que les sièges, similaires aux RIB/RIO Transilien, et livrée quasi identique à celle des dernières Z 20900. La rénovation de celles à quatre caisses du RER C (07 A) et de la ligne P du Transilien du réseau Transilien Paris-Est (04 A) a commencé fin 2009. Cependant les rames circulant sur la ligne H du Transilien (Paris-Nord) et sur le réseau de Paris-Saint-Lazare n'ont pas été rénovées avant leur mutation sur les lignes C et D du RER, intervenue entre 2011 et 2013.
vignette|gauche|Intérieur d'une rame rénovée en 2007. La rénovation consiste aussi en la suppression des cloisons intérieures de la voiture centrale de la rame qui sépare les anciennes zones première classe/seconde classe. La suppression des sièges de la première classe augmente légèrement la capacité des rames : configuration 3+2 au lieu de 2+2. Sur les de l'effectif initial, 17 ont été rénovées durant l'année 2007, puis durant l'année 2008, soit un total de rénovées en , le programme de rénovation ayant duré presque une décennie compte tenu de l'importance de l'effectif.
Contrairement aux précédentes rénovations (RIO, VB 2N), les ne recevront pas de climatisation. La faible amélioration apportée a d'ailleurs provoqué la colère d'associations d'usagers.
La première rame rénovée (88 D) circule depuis le . Les dernières rames rénovées (80 D et 96 D) circulent depuis le . vignette|redresse|Intérieur d'une rame rénovée. En , une première rame de la ligne C (173 A) est entièrement rénovée, portant désormais la livrée extérieure Carmillon. L'intérieur a de même été rénové et des systèmes d'information du trafic ont également été installés. À terme, en 2016, seront entièrement rénovées à Tours pour un montant de d'euros, financés à parité entre le STIF et la SNCF La première rame du RER C inaugurée, communiqué de presse du STIF du 25 septembre 2012. Consulté le 5 décembre 2012.. vignette|gauche|Nouvel écran du Système d'information voyageurs embarqué en . vignette|Intérieur d'une salle haute dans une rame rénovée. Le , Île-de-France Mobilités annonce une nouvelle rénovation de circulant sur la ligne D du RER et sur la ligne P du Transilien qui doit être effectuée entre le et le ; le coût de la mesure est de d'euros ; ce document est une archive.. Ces travaux ont pour but d'améliorer le confort thermique en apposant des films athermiques sur les vitres et en augmentant le nombre de fenêtres ouvrantes, d'apporter des améliorations aux aménagements intérieurs (reprise des garnissages dégradés, nouveau pelliculage des plafonds, remplacement de l’ensemble des tissus de sièges, équipement des plateformes avec des prises USB) et d'améliorer l'information voyageurs avec des afficheurs frontaux extérieurs et en installant des haut-parleurs plus modernes..
Z 20500 "hybride" rénové en livrée IDFM au Mée sur Seine
Dès , certaines rames de la ligne C du RER reçoivent la livrée Île-de-France Mobilités et des plans de ligne dynamiques et des ports USB, sans en changer l'aménagement intérieur.
Parc Un parc hétéroclite vignette|Z 20500 en livrée Carmillon en gare de Pontoise. vignette|Plusieurs rames à Corbeil-Essonnes en 2005, à l'époque où elles étaient encore en livrée Île-de-France.
Il existe plusieurs configurations de Z 20500 : à 4 caisses (2 remorques longues) : motrices et remorques de 20500 (ZRB20500), affectées aux dépôts des Ardoines, des Joncherolles et de Noisy (Transilien P et V, RER C) ; à 5 caisses (3 remorques longues) : motrices et remorques de 20500 (ZRB20500) , affectées aux dépôts des Joncherolles et de Villeneuve (Transilien R et RER D) ;