2006年3月25日から営業運転を開始した。営業運転開始当初は、3両編成2本を連結した6両編成を主に急行に使用し、2両編成2本を連結した4両編成を主に普通に使用していた。その後同年6月3日からは、3両編成と2両編成を連結した5両編成で主に急行に使用されるようになった。2008年より2000形を代替し、2010年3月までの増備で5両編成での最大8本使用が可能となり、日中のすべての急行に3000形が使用されることが多くなった。2012年（平成24年）夏には、電力需給逼迫により節電要請が出されたため、平日昼間の列車が減車され、通常では行われない5両編成での特急運用や3両編成単独での運用も行われた。製造が再開された後の2015年（平成27年）4月より8000形の廃車が始まったため、8000形の代替として6両編成（3両編成2本または2両編成3本連結）で特急に使用されるようになった。それ以前にも正月・ゴールデンウィークなどの多客期に7両編成として特急運用に入った例や、先述の節電運行時の5両編成特急運用などはあったが、これ以降、通常時にも特急に使用されるようになった。また、2017年7月22日より、3両編成2本（6両編成で運用）が「水都」となり特急に使用されている。5両編成はこれ以降も日中の急行に使用されているが、日中の急行は3000形だけでは賄えなくなったため9000形や5000形も運用されるようになっている。なお、従来の特急・急行用車両と同様、ラッシュ時には普通列車にも使用される。
当初は2005年度から2007年度までに3両編成3本、2両編成4本の計17両を製造することが発表されたが、2007年（平成19年）2月27日に発表された第11次中期経営計画（2007 - 2009年度）の中において、本形式32両の追加投入が盛り込まれた。2006年（平成18年）3月に3両編成・2両編成各2本（末尾01 - 04）、2007年8月に3両編成・2両編成各1本（末尾05・06）、2008年3月に3両編成・2両編成各1本（末尾07・08）、2009年3月に5両編成2本（末尾09・10）、2010年3月に5両編成2本と2両編成1本（末尾11 - 13）が落成し、2005年度から2009年度までに13編成42両が就役した。2015年からは8000形との置き換えを目的に導入が進められ、2015年に2両編成1本・3両編成2本（末尾14 - 16）が投入され、2016年に2両編成2本・3両編成2本（末尾17 - 20）が投入された。これにより3両編成8本、2両編成8本、5両編成4本の20編成60両となった。
同社はイギリスのエアラインということもあり、歴史的にエンジンメーカーの選択が可能な機材については同じイギリスの航空機エンジンメーカーである「ロールス・ロイス（Rolls Royce）」社製のエンジンを選定しているのが同社の保有機材の大きな特徴である。エンジンメーカーの選択が可能になったボーイング747の長距離モデル「-200」型機では、世界で初めてロールス・ロイス社のエンジンを選定したエアラインとなり、さらにボーイング767型機においてもロールス・ロイス社製エンジンを搭載したモデルを発注・導入したことで知られている。しかし、1990年代に受領したボーイング777-200型機、一部のボーイング777-200ER型機とエンジン選択が出来なかったボーイング777-300ER型機ではアメリカ製GE・アビエーション社製エンジンを選定している。ただし、2000年代から受領しているボーイング777-200ER型機はロールス・ロイス社製のエンジンへ回帰していて同じ機種で異なるメーカーのエンジンを選択する不効率な状態になっている。同社の特徴は、ボーイング747-400を世界で最も多く導入したことである（ただし、747のクラシック型も含めると、最も多く導入したのは日本航空グループである。）。故に、多くの航空会社が退役を進めている機種ではあるものの、同社においては今もなお30機以上が運航中である。しかし、747-400の後継機種にはエアバスA380を選定している。そのエアバスA380について当初は否定的であった態度を一転させた理由としては、747-400の後継モデルであるボーイング747-8の搭載エンジンが、アメリカのGE社製のみであったことが挙げられる（エンジンの選択が可能なA380においては勿論、ロールス・ロイス社製エンジンを選定している）。そして、エアバスA380（後述）と同時期に発注したボーイング787も24機（+オプション18機）すべてロールス・ロイス社製のエンジンを選定している。なお、2019年2月には、ボーイング777-9Xを多くて42機購入する計画を発表。こちらもA380とともに、2023年頃までに退役予定の、747-400の後継機となることが予想される。また、後にワールドエアカーゴ（貨物部門）でボーイング747-8Fを3機導入したが、機材と運航、整備はアトラス航空による運用（ウェットリース）である特別な例で2014年4月中には同社での運航を終了し、機材をアトラス航空へ返却している。BAが発注したボーイング社製航空機の顧客番号（カスタマーコード）は36で、航空機の形式名は747-436,  767-336ER, 777-236, 777-236ER などとなる。