Begin jaren '60 gaf de Nederlandsche Spoorwegen aan fabrikant Werkspoor de opdracht om een prototype treinstel te bouwen voor de uiteindelijke serie Mat'64-treinstellen. Het treinstel, van het type Plan TT (Treinstel Toekomst), met het nummer 501 werd in 1961 geleverd. Net als in de voorgaande treinstelseries zaten in de Plan TT vele nieuwe technieken verwerkt. De Plan TT kreeg, net als de eerdere treinseries uit de jaren '50 (Mat'54, Mat'57, TEE DE4 en Plan U), een grote neus. De neus was bedoeld om de machinist beter te beschermen bij een aanrijding. Net als de Plan U-dieseltreinen kreeg de Plan TT centrale deursluiting en een omroepinstallatie. De Plan TT was het eerste treinstel van NS met zwenkzwaaideuren, in plaats van schuifdeuren. De 501 viel vooral op door het lage gewicht van het treinstel, waardoor hij veel sneller accelereerde. Hierdoor was het treinstel erg geschikt voor stoptreindiensten, waarvoor het treinstel ook was gebouwd. Het treinstel kreeg de koppeling op dezelfde hoogte als de eerste treinstellen. Het treinstel had een maximumsnelheid van 140 km/u. Na het succes van de 501 besloot NS om dertig vierdelige treinstellen bij Werkspoor te bestellen. Deze treinstellen kregen enkele wijzigingen ten opzichte van het prototype-treinstel. De meest opvallende was de automatische koppeling die werd verhoogd van de standaardhoogte die in Nederland gebruikelijk was naar de Europese norm. De 501 kreeg later enkele aanpassingen om meer op de seriebouwtreinstellen te lijken. Na de succesvolle levering van de vierdelige Plan T-treinstellen voerden NS en Werkspoor in 1963 gesprekken voor een tweedelige variant van de treinstellen. Op 15 juni 1965 plaatste NS de eerste bestelling van dertig Plan V-treinstellen bij Werkspoor. De Plan T en Plan V-treinstellen vallen beide onder de serie Mat'64. De Plan V's wogen 88 ton en waren 52 meter lang. NS betaalde bij Werkspoor 685.000 gulden per treinstel, exclusief de elektrische installaties. De 401 werd als eerste Plan V op 2 februari 1966 door Werkspoor geleverd. Alle Mat'64-treinstellen werden afgeleverd in de donkergroene huisstijl van NS.

In de jaren '60 ging het slecht met de Nederlandse Spoorwegen. Door de wederopbouw na de Tweede Wereldoorlog nam de welvaart in Nederland toe. Hierdoor konden steeds meer mensen een auto kopen, waardoor de reizigersaantallen afliepen. Door de sterke opkomst van de vrachtwagens in de jaren '60 liep het goederenvervoer per spoor ook terug en sloten veel los- en laadplaatsen. Sinds de ontdekking van het aardgasveld onder Groningen in 1959 werd steenkool steeds minder gebruikt, waardoor het aantal kolentreinen sterk terugliep. Op het dieptepunt maakte NS in 1967 een verlies van 100 miljoen gulden. Om de verliezen tegen te gaan, besloot NS flink te investeren in het rijden van meer treinen en het hele bedrijf een nieuwe, frisse huisstijl te geven. De verschillende kleuren die NS voor haar treinen gebruikte, waren allemaal erg donker. Dit gebeurde vanuit het idee dat treinen niet mochten opvallen in het landschap. Hierdoor kreeg het bedrijf een stoffig en ambtelijk imago. De verschillende treinsoorten waren ook voorzien van verschillende kleuren. Rangeerlocomotieven waren donkergroen, elektrische locomotieven waren Berlijns blauw en diesellocomotieven waren bruin. De rijtuigen waren ook Berlijns Blauw. Elektrische treinstellen waren olijfgroen, en dieseltreinstellen waren rood. De posttreinen waren ook bruin.

Het ontwerpbureau Teldesign, waar Gert Dumbar werkte als grafisch ontwerper, kreeg in 1967 van NS de opdracht om een geheel nieuwe huisstijl te ontwerpen. Na 8 maanden werk en 1.800 schetsen werd het definitieve NS-logo ontworpen door Gert Dumbar. Het nieuwe logo bestaat uit twee pijlen en staat voor transport in twee richtingen. Naast het nieuwe logo kreeg NS ook bedrijfsbreed een nieuwe, frisse kleur: geel. Alle treinen werden geel gemaakt, met onderling wel enkele verschillen. Alle locomotieven werden geel met grijs, de treinstellen voor de stoptreindiensten (zowel diesel- als elektrische treinstellen) werden geel met drie blauwe schuine reclamebanen. De rijtuigen en de elektrische intercitytreinstellen werden geel met een horizontale donkerblauwe band. De posttreinen kregen de nieuwe gele kleur van NS en de rode kleur van de PTT. Ook een nieuw lettertype en nieuwe pictogrammen hoorden bij de nieuwe huisstijl. Op 11 januari 1968 werd de eerste trein, voorzien van de opvallende gele huisstijl, gepresenteerd aan de pers. Het betrof een Mat'64-treinstel dat vers uit de fabriek kwam. De directeur van NS maakte tevens bekend dat met de zomerdienstregeling van dat jaar, die op 26 mei inging, de eerste gele treinen in reizigersdienst gingen rijden. NS wilde geen extra kosten maken om het rijdende materieel te voorzien van de nieuwe gele kleur. Daarom werd besloten om de treinen enkel te schilderen als ze voor andere werkzaamheden al in de werkplaats waren. Alle treinen kregen wel snel het nieuwe NS-logo op de originele huisstijl. Het duurde van 1968 tot eind jaren '80 tot alle treinen in de oude huisstijlen waren overgeschilderd of gesloopt. De 2275, die bewaard is gebleven, is hierop de uitzondering. De locomotief behield tot zijn buitendienststelling in 1994 de bruine kleur.

De directeur van NS presenteerde in januari 1969 de visie Sporen naar '75. Een groot onderdeel hiervan was het plan Spoorslag '70. Met Spoorslag '70 introduceerde NS een starre dienstregeling, waarbij alle treinen ieder uur op hetzelfde moment reden en op dezelfde stations stopten. Ook werden op stations de aansluitingen verbeterd. Ieder station in Nederland werd met Spoorslag '70 minimaal 1x per uur bediend, in de meeste gevallen zelfs 2x per uur. Voor Spoorslag '70 reed NS stoptreinen en sneltreinen; tijdens Spoorslag '70 werden intercity's geïntroduceerd. Met een nieuw intercitynetwerk werden de grootste 40 stations in Nederland verbonden met treinen die elk halfuur vertrokken en minder stopten dan sneltreinen, en hierdoor dus sneller waren. De maximale snelheid van het spoor werd op een aantal plekken verhoogd van 130 km/u naar 140 km/u. Reizigers behaalden door de nieuwe intercity's een reistijdwinst van 10% tot 25%. In één keer liet NS 40% meer reizigerstreinen rijden. Met Spoorslag '70 werd de snelheid van goederentreinen ook verhoogd; deze reden 65 km/u en de snelheid werd verhoogd naar 80 km/u. Veel goederenwagons moesten aangepast worden aan deze verhoogde snelheid of werden vervangen door nieuwe wagons. Ondanks de fors uitgebreide dienstregeling waren slechts minimale aanpassingen aan de infrastructuur nodig. Op een aantal plaatsen werd deze wel aangepast. Naast de hogere snelheid opende NS ook in nieuwbouwwijken nieuwe voorstadstations. Bestaande stations worden ook voorzien van meer parkeerplaatsen en winkels. Doordat de maximumsnelheid van het spoor werd verhoogd en keertijden op eindstations verkort zijn, waren geen grote investeringen in nieuw materieel nodig om in één keer zoveel meer treinen te rijden. Hierdoor maakte het materieel veel meer kilometers.

Op 11 januari 1968 werd de 31ste Plan V die Werkspoor aan NS leverde gepresenteerd aan de pers als het eerste treinstel in de nieuwe gele huisstijl. Dit treinstel stond in de groene kleur klaar om afgeleverd te worden, maar werd voor de presentatie geel gemaakt. Na dit treinstel werden alle Plan V's in de gele stoptreinkleur geleverd. Met de introductie van Spoorslag '70 had NS veel meer extra treinstellen nodig om de vele nieuwe treinen te rijden. Doordat NS meer treinen ging rijden konden de treinen korter worden, hierom besloot NS om een groot aantal tweedelige Plan V's te bestellen. De vierdelige Plan T-treinstellen werden niet meer besteld. Naast fabrikant Werkspoor in Utrecht leverde de Duitse fabrikant Talbot in Aachen vanaf eind jaren '60 ook Plan V's aan NS. Zo kon NS meer treinstellen tegelijk in dienst nemen, en Talbot kon de treinstellen goedkoper leveren. In februari 1972 leverde Werkspoor haar laatste trein af aan NS; dit was Plan V 840. Nadat Werkspoor sloot, bouwde het Duitse Düwag enkele Plan V's om Talbot te ondersteunen. Talbot leverde op 14 december 1976 de laatste af Plan V aan NS. NS plaatste uiteindelijk drie bestellingen voor Plan T-treinstellen en maar liefst dertien bestellingen voor Plan V's. In totaal werden 31 Plan T's en 246 Plan V-treinstellen geleverd aan NS. Hiermee is de serie Mat'64 met 277 treinstellen de grootste serie ooit die aan NS werd geleverd. Een deel van de Plan V's kregen een bagageafdeling. De Plan T's kregen de nummers 501 t/m 531 en de Plan V's de nummerseries 401 t/m 438, 441 t/m 483 en 801 t/m 965. Doordat de Mat'64-stoptreinen de eerste treinen in de nieuwe gele huisstijl waren, werden ze veelvuldig door NS afgebeeld in reclames waardoor de treinstellen erg bekend werden. Hierdoor, en doordat de serie uit 277 treinstellen bestond, waren de stoptreinen jarenlang erg iconisch voor de Nederlandse Spoorwegen. Door de jaren heen werden een aantal treinstellen geschikt gemaakt voor eenmansbediening. Deze treinstellen reden op de Schiphollijn van Amsterdam Zuid naar Schiphol en op de Merwedelingenlijn van Dordrecht naar Geldermalsen. De treinstellen stonden bekend als erg betrouwbaar.

In 1983 begon de Nederlandse Spoorwegen met het onderzoeken van een nieuwe serie treinstellen om de grote serie Mat'64 te vervangen. Tien jaar later leverde Talbot in Aachen een proefserie van negen tweedelige treinstellen. De nieuwe treinstellen waren van het type SM'90 en kregen de bijnaam Railhoppers. De SM'90-treinstellen zaten vol met nieuwe technieken en erg ingewikkelde software. De treinstellen werden enkel ingezet op de spoorlijn Zwolle - Emmen. De serie kampte met veel kinderziektes en de nieuwe ingewikkelde software van de treinstellen was erg onbetrouwbaar. Daarnaast werden alle negen treinstellen in 2001 en 2003 vanwege veiligheidsfouten aan de kant gezet. Nadat deze waren hersteld, werden de treinstellen weer ingezet. Op de momenten dat er te weinig Railhoppers in dienst waren, of de gehele serie aan de kant stond, werd de treindienst tussen Zwolle en Emmen opgevangen door de Mat'64-treinstellen. Door de vele problemen met de treinstellen heeft NS besloten geen vervolgserie van de SM'90 te bestellen. Aan het einde van 2005 werden de negen Railhoppers door NS buitendienst gesteld. De Plan V-treinstellen 951 t/m 965 kregen na de buitendienststelling van de SM'90 aangepaste motoren, waardoor deze sneller accelereerden. Dit was nodig om de krappe dienstregeling op het traject Zwolle - Emmen te halen.

Op 29 juli 1991 werd in de Europese Unie de nieuwe richtlijn 91/440/EEG aangenomen, waarin staat dat directe staatsexploitatie van spoorwegen werd verboden, er een scheiding moet zijn tussen de beheerder van de infra en de spoorwegmaatschappijen en dat nieuwe vervoerders treindiensten zouden moeten kunnen uitvoeren. In Nederland werd in 1992 de commissie-Wijffels aangesteld om te onderzoeken hoe dit in Nederland toegepast zou moeten worden. Er werd besloten om niet het hele spoorwegnet, zoals men in Engeland wel deed, te liberaliseren maar slechts de verliesleidende spoorlijnen aan te besteden. De niet-rendabele lijnen zouden vanuit de provincies worden aanbesteed en het bedrijf dat de goedkoopste dienst kon uitvoeren, won voor een aantal jaar de concessie. In samenspraak met de Nederlandse Spoorwegen kwamen ongeveer dertig nevenlijnen in aanmerking om te worden geprivatiseerd. De nieuwe vervoerder Oostnet reed op 24 mei 1998 de eerste trein op een van NS overgenomen baanvak. De private vervoerder nam de rijvaardige 180 en de 186 en het plukstel 164 over van NS om de dienst tussen Almelo en Mariënberg te rijden. Na de spoorlijn Almelo - Mariënberg werden meer onrendabele spoorlijnen aanbesteed. Met ingang van dienstregeling 2007 (op 10 december 2006) huurden Arriva, Connexxion en Veolia enkele Plan V's omdat hun nieuwe treinen nog niet waren geleverd. Arriva huurde zeven treinstellen, met de nummers 864 t/m 870 voor inzet op de Merwedelingenlijn tussen Dordrecht en Geldermalsen. De treinstellen reden twee jaar op de Merwedelingenlijn. Connexxion huurde in het begin de 836 t/m 840 voor inzet op de Valleilijn tussen Amersfoort en Ede-Wageningen. Een jaar later werden de Plan V's weer ingeleverd. In december 2008 huurde Connexxion vanwege tekorten echter weer de 840, 844 en de 867. De 919 werd in 2011 zelfs van NS gekocht. De 919 werd in 2013 als laatste Plan V op de spoorlijn aan de kant gezet. Veolia huurde net als Arriva de treinstellen voor twee jaar. Veolia zette de 841, 842, 844, 845, 847, 848 en de 849 in tussen Maastricht Randwijck en Kerkrade Centrum. Bij Arriva en Veolia werden de Mat'64-stellen vervangen door nieuwe GTW's en Connexxion nam Protossen in gebruik op de Valleilijn.

Vanwege een overschot aan materieel besloot NS om in 2003 en 2004 de oudste Plan-V's terzijde te stellen. De eerste drie series met de nummers 401 t/m 438 werden in deze periode afgevoerd. Nadat de door NS ontworpen SM'90 niet geschikt bleek, plaatste NS in 2005 een bestelling voor 35 nieuwe treinstellen bij Bombardier. De treinen zijn van het type Sprinter Lighttrain (SLT) en zijn afgeleid van het Duitse type BR425. Het eerste treinstel, de vierdelige 2402, werd op 24 januari 2008 in Nederland geleverd. In 2007 plaatste NS nog een bestelling van 64 treinstellen en twee jaar later werden nog eens 32 treinstellen bij Bombardier besteld. Tussen 2008 en 2012 werden de 69 vierdelige en 62 zesdelige treinstellen in Duitsland gebouwd en geleverd aan NS. Alle vierdelige Plan T-treinstellen werden tussen 2008 en 2010 afgevoerd. Er is geen Plan T bewaard gebleven. In de eerste echte winter waarin de SLT's reden, die van 2010 op 2011, bleken de treinstellen heel slecht tegen sneeuw te kunnen. Tijdens de bestelling van de SLT's speelde 'winterhardheid' geen enkele rol. De betrouwbare Plan V's bleven hierdoor weer wat langer in dienst. Vanaf 2011 pakte NS de terzijdestelling van de Plan V's weer op. De 131 SLT's die NS had besteld, waren niet genoeg om de laatste Plan V's te vervangen. Ter vervanging van deze treinen, en tevens ter vervanging van de SGMm, plaatste NS in oktober 2014 een bestelling bij CAF voor de levering van 118 sprinters. Later bestelde NS nog eens 88 SNG's (Sprinter Nieuwe Generatie) bij CAF. NS besloot door de verwachte reizigersgroei die door de uitbreiding van de OV-studentenkaart per januari 2017 zodat mbo-studenten onder de 18 daar ook gebruik van konden maken ontstond en het afvoeren van de laatste dertig Mat'64-stellen met spoed Flirts bij Stadler te bestellen. De laatste Plan V's werden op 30 maart 2016 definitief uit de reizigersdienst gehaald, de eerste Flirt reed pas op 11 december 2016.

Op 25 september 2016 organiseerde NS de prachtige officiële afscheidsrit van het treintype Mat'64. Vanuit Maastricht reden de Plan V's 449, 469, 466 en de 876 via Sittard, Eindhoven, Nijmegen, Arnhem, Deventer, Zwolle en Amersfoort naar Utrecht Maliebaan. De NS 876, die al sinds september 2010 in het bezit van het Spoorwegmuseum is, werd in het museum overgedragen en van de trein gesplitst. De andere drie Plan V's reden daarna via Amersfoort en Amsterdam Centraal naar opstelterrein Zaanstraat. De dag was erg goed georganiseerd en een prachtig afscheid van deze iconische treinserie van NS. Naast de 876 werd treinstel 466 bewaard door De Karel Foundation en de Stichting Mat'64 nam al eerder treinstel 419 over. Nadat deze ernstig beschadigde kreeg men de Plan V 904 ter beschikking.

NS december 2014 bood NS voor 3FM Serious Request Buffet-rijtuig 61 84 88-70 024-5 ter veiling aan. Dit rijtuig stond in de groene huisstijl van NedTrain op de Watergraafsmeer opgesteld en had de naam Anja gekregen. Het rijtuig werd uiteindelijk voor 17.550 euro geveild aan Dennis Münninghoff. De treinliefhebber Dennis wilde het rijtuig in zijn tuin plaatsen. Na de veiling bleek de overdracht niet te mogen doordat er asbest in het rijtuig zat. Uiteindelijk is de 61 84 88-70 024-5 in mei 2017 gesloopt. NS wilde het volledige bedrag aan Dennis terugstorten, maar dit wilde Dennis niet. Na lang onderhandelen konden Dennis & Franki Münninghoff voor het symbolische bedrag van een euro het terzijde staande Mat'64-treinstel 466 kopen. De Plan V werd op 22 juni 2018 door de VolkerRail 203-5 overgebracht van Haarlem naar Blerick. Door vrijwilligers werd in Blerick het treinstel weer rijvaardig gemaakt. Op de zijkant kreeg het gele treinstel de logo's van De Karel Foundation. Dit werd gedaan in de historische stijl, zoals bedrijven of NS zelf vroeger reclame maakten op de stoptreinen van NS. Op 25 augustus 2019 reed het treinstel weer zijn eerste zelfstandige meters op het emplacement in Blerick.  Op 24 november 2019 reed de 466 zijn eerste rit voor donateurs. Het doel van De Karel Foundation is om de 466 als museumtrein te bewaren en geld in te zamelen voor KWF Kankerbestrijding. Met de inkomsten van de stichting wordt de 466 onderhouden, en de rest wordt overgemaakt naar het KWF. Nadat de gele 466 enkele ritten heeft gereden, werd het treinstel volledig voorzien van de rode huisstijl van De Karel Foundation. Op 25 maart 2020 werd de nu rode Karel gepresenteerd.

Op 23 april 2022 reden voor het eerst weer twee gekoppelde Plan V's door Nederland. De 466 van De Karel Foundation en de 904 van de Stichting 2454 CREW reden een rit door Nederland. In de ochtend van 4 december 2025 botste een rangerende locomotief in Amersfoort op de geparkeerde Railexperts 9901. De 1600 stond op de handrem geparkeerd, maar werd door de kracht doorgeduwd en botste tegen de RXP-rijtuigen 51 85 89-70 152-4 en 56 80 89-90 672-7 aan. Beide rijtuigen stonden ook op de handrem, maar werden door de kracht tegen de Mat'64 Karel aangeduwd. De Karel, die ook op de handrem stond, werd doorgedrukt tegen het betonnen juk, waarna alle treinen tot stilstand kwamen. De locomotief was na het ongeluk weggereden. De 466 liep door het ongeluk flinke schade op. Tussen 3 en 6 januari 2026 werden beide rijtuigen van de Mat'64 met de neuzen tegen elkaar gerangeerd en werd het treinstel 'binnenstebuiten' naar de Watergraafsmeer gebracht voor herstel. In Amsterdam werden onder andere de luchtslangen, tussenbuffers en de vouwbalg vervangen. Op 31 januari 2026 plaatste De Karel een bericht op Facebook dat het herstel van de 466 goed ging en op 21 februari reed de Karel weer zijn eerste rit na het ongeval.

In 2026 was het zestig jaar geleden dat Werkspoor op 2 februari 1966 de 401 als eerste Plan V aan NS leverde. Om dit te vieren organiseerden de Nederlandse Vereniging van Belangstellenden in het Spoor- en tramwegwezen (NVBS), de Karel Foundation en Rail Magazine samen op 31 mei 2026 '60 jaar Plan V'. Alle drie de overgebleven rijvaardige Plan V's kwamen naar Amersfoort om meerdere line-ups te houden. De rode 466 van De Karel Foundation, de gele 876 van het Spoorwegmuseum en de blauwe 904 van de Stichting 2454 CREW (verhuurd aan Keolis) dragen allemaal andere huisstijlen, wat een prachtig beeld geeft. Dit was tevens voor het eerst sinds het afscheid in 2016 dat er weer drie Plan V's bij elkaar te zien zijn.