8 июля 1942 года Гитлер наконец отдал приказ о начале летнего наступления. Закаленная в боях дивизия помогла очистить среднее течение Дона от советских войск (8–25 июля) и приняла участие в наступлении на Сталинград, сражаясь под Лисичанском (15 июля), Беловодском (16 июля) и Калмыковом (25 июля). 23 августа дивизия вышла к Волге в районе Рынка, севернее Сталинграда. Отразив несколько контратак, она очистила степь к северу от города и оказывала поддержку дивизиям, которые вели уличные бои в сентябре, октябре и ноябре.
Серьезно потрепанная дивизия (а к 19 ноября в составе дивизии насчитывалось всего 4000 человек) в середине ноября уступила позиции под Сталинградом 94-й пехотной дивизии и получила приказ отойти к Донцу для пополнения. До 19 ноября, когда по приказу Сталина было начато крупномасштабное контрнаступление, завершившееся 23 ноября окружением немецкой 6-й армии под Сталинградом, отход завершен не был. Основной удар пришелся как раз на направление отхода дивизии. Штаб 16-й танковой дивизии, 79-й моторизованный полк, большая часть 64-го моторизованного полка и 16-й танковый артиллерийский полк остались в окружении. Передовые части дивизии — 16-й дивизион истребителей танков, 2-й танковый полк, I батальон 64-го моторизованного полка и 16-й танковый саперный батальон — были выбиты из Калача 21 ноября и направились на запад, уходя подальше от котла. Эти части были сведены в две (позднее — в три) боевые группы во главе с полковником Рудольфом Зикениусом, командиром 2-го танкового полка.
Оставшаяся часть дивизии осталась в ловушке в Сталинграде и была там уничтожена. Уцелевшие сдались в плен в начале февраля 1943 года.
Вторая 16-я танковая дивизия была сформирована в Бретани в феврале — марте 1943 года. Ее ядро составили 3400 ветеранов первой дивизии, которым посчастливилось избежать катастрофы под Сталинградом или получить ранение и быть эвакуированными из окружения по воздуху, а также 600 русских «хиви» (добровольцев). Также в новый состав дивизии вошли 890-й моторизованный полк и другие части резерва Генерального штаба, а также подкрепления из состава 7-й армии. Теперь дивизия состояла из 2-го танкового полка (три батальона), 64-го и 79-го моторизованных полков (по два батальона в каждом), 16-го мотоциклетного батальона, который 1 апреля был преобразован в 16-й танковый разведывательный батальон, 16-го танкового артиллерийского полка (три дивизиона), 16-го дивизиона истребителей танков, 16-го саперного батальона и 274-го армейского зенитно-артиллерийского дивизиона. Дивизионные части обеспечения также имели номер 16. В июне дивизия была направлена в Италию, в район Таранто, а затем была переброшена в район Салерно незадолго перед высадкой в Италии англо-американских войск. В этой десантной операции, состоявшейся 9 сентября, участвовали 450 кораблей и судов и 169 тысяч человек при поддержке 20 тысяч самолетов. 16-я танковая дивизия приняла на себя основной удар и нанесла тяжелые потери высадившимся Союзникам, которые к 18 сентября потеряли почти 7 тысяч человек убитыми, ранеными и пленными. Однако за тот же период немцы потеряли 840 человек убитыми, 2002 — ранеными и 630 — пропавшими без вести. Не меньше 90 % от этих потерь приходились на долю 16-й танковой дивизии, которая также потеряла в тяжелых боях две трети своих танков (причем значительная часть этих потерь приходилась на обстрелы с моря).