Tras la implantación y el éxito del Talgo II, Renfe se planteó la extensión de este material a los principales servicios de la red. Por su parte, Patentes Talgo seguía trabajando en la mejora de su producto para ofrecer un tren que se convirtiera en referente de calidad y comodidad. Por este motivo, en 1961 construyó siete remolques prototipo, incorporando numerosas innovaciones las cuales le permitirían circular a mayor velocidad en curva, con un menor mantenimiento de la vía, de los ejes y con notables mejoras en la suspensión, la insonorización y el acabado interior.

El 5 de septiembre de 1962, a la vista de los buenos resultados del prototipo, Renfe contrató el suministro de 104 remolques para formar con ellos nueve composiciones que pudiesen entrar en servicio en 1964.

Para que la fabricación de este material pudiera llegar a tiempo Renfe contó con la colaboración de la empresa CASA. El 5 de junio de 1964 se hizo entrega de las dos primeras composiciones y el 29 de julio se realizó el viaje inaugural entre Vitoria y San Sebastián. El resto de las composiciones se entregarían entre septiembre de 1964 y marzo de 1965.

El primer servicio en el que se implantó el Talgo III fue el de Madrid a Barcelona, inaugurado el 15 de agosto de este año. El trayecto tenía una duración de 8 horas y 15 minutos. Las siguientes entregas se adjudicaron al trayecto entre Madrid-Hendaya y progresivamente se extendieron a la relación Madrid-Sevilla-Cádiz, sustituyendo en este trayecto a los servicios prestados con TER y TAF. Por último el 15 de julio de 1965 las dos últimas ramas inauguraron el servicio Madrid-Bilbao.

Las locomotoras que remolcaban estos trenes eran las 2000-T, diez locomotoras diésel-hidráulicas construidas por Krauss&Maffei y Babcock&Wilcox. Autorizadas a circular a 140 km/h., una de ellas la 2.005 T, llamada Virgen del Carmen, consiguió batir un record en junio de 1966, cuando consiguió alcanzar los 200 km/h. en la línea entre San Jerónimo y Los Rosales.

Las novedades que aportaba el Talgo III estaban centradas en el guiado de los ejes, que permitía la reversibilidad de los trenes; la segregabilidad, que posibilitaba la adaptación de las composiciones a la demanda; la mayor longitud del vehículo, consiguiendo una mejor distribución interior del mismo y una mejora en la suspensión neumática, que proporcionaba mayor confort.

La paulatina entrada en servicio de los distintos pedidos supusieron la implantación de nuevas relaciones y, poco a poco fue imponiéndose en los servicios en detrimento de otros trenes como los TAF y TER. Estos Talgo III también fueron los elegidos en 1976 para el prestigioso servicio “Mare Nostrum” que unía Murcia y Cerbère y, años después en 1989 para la relación internacional entre Madrid y Lisboa.

En 1982 se dejaron de fabricar los remolques de Talgo III que llegaron a los 314, sin embargo estuvieron en servicio hasta bien entrado el siglo XXI.