16-я танковая дивизия составила арьергард немецкой 10-й армии при отступлении на линию Авеллино — Офанто и нанесла ощутимый удар преследовавшему ее американскому 6-му корпусу под Теорой (24–25 сентября). Она осталась на фронте и вела сдерживающие действия против британской 8-й армии севернее Неаполя до ноября 1943 года, когда она была переброшена обратно на Восточный фронт. 16-я танковая дивизия немедленно была брошена в бой на стыке 2-й и 9-й армий, где образовался разрыв. После обороны на участке между Припятью и Березиной дивизия была спешно переброшена на южный участок фронта, где ей снова предстояло вести оборонительные и наступательные бои в районе Погребища (4–31 января 1944 года). Затем дивизия своим ходом направилась на участок севернее Умани для участия в частично успешной попытке деблокировать XI и XXXXII корпуса, окруженные под Черкассами. После того как части окруженных войск удалось вырваться из кольца, 16-я танковая дивизия вернулась на участок севернее Умани, чтобы вновь принять участие в оборонительных боях (20–26 февраля).
Как и большинство танковых дивизий Восточного фронта, 16-я использовалась в качестве «пожарной команды», которая контратаковала, оборонялась, а затем ее отводили в тыл и бросали тушить очередной пожар. С 6 по 22 марта дивизия вела бои за Тарнополь, но 23 марта была окружена вместе с остальными войсками 1-й танковой армии. В составе «блуждающего котла Хубе» она вырвалась из окружения и 10 апреля вышла к немецким позициям. Несмотря на тяжелые потери и довольно малочисленные подкрепления, 16-я танковая дивизия осталась на фронте и в апреле вела оборону по Днестру, а затем была переброшена на участок Делятин — Коломыя для частичного пополнения (28 апреля–16 мая). Дивизии вновь пришлось вступить в бой 17 мая, когда советские войска подошли к Коломые, который она обороняла вместе с венгерской 25-й пехотной дивизией до 30 мая. 8 июня, после череды оборонительных боев, дивизия была вновь отведена в тыл для продолжения переформирования.
После частичного переформирования опытная дивизия сражалась на рубеже Буга (2–31 июля), отступала в глубь Польши, принимала участие в безуспешной попытке ликвидировать Сандомирский плацдарм (4-31 августа) и вела противопартизанские действия в районе Далешице (1 сентября–15 октября 1944 года). После отвода с передовой 15 октября дивизия была частично пополнена XXIV танковым корпусом за счет частей корпусного подчинения. 79-й моторизованный полк был переименован в 79-й моторизованный фузилерный полк (корпусной) и остался в распоряжении корпуса. Однако II батальон 79-го полка остался в составе дивизии в качестве нового III батальона 64-го моторизованного полка. Бывший II батальон 63-го моторизованного полка (17-й танковой дивизии) стал II батальоном 79-го моторизованного фузилерного полка.
Вновь оказавшись на сандомирском направлении к 1 января 1945 года, обескровленная дивизия вместе с остальными силами XXIV танкового корпуса попала в окружение в результате массированного наступления советских войск. Благодаря искусству командира корпуса генерала Неринга, 25 января дивизии удалось выйти к немецким позициям в районе Глогау на Одере.
1 февраля 16-я танковая дивизия наконец была отведена на отдых и переформирование, но 8 февраля была вновь брошена в бой в попытке остановить советское наступление на Нейссе. Последние бои дивизия вела на юго-востоке Германии и в Чехословакии (в районе городов Лаубан и Брно), где ее и застал конец войны. 7 мая 1945 года, когда Гитлер был уже мертв, а Третий рейх бился в агонии, 16-я танковая дивизия разделилась на три группы и направилась в сторону позиций англо-американских войск, пытаясь избежать советского плена. Первой группе удалось добраться до Карлсбада, где она сдалась американцам. Второй группе повезло меньше, и она была вынуждена капитулировать перед советскими войсками в Троппау. Третья группа, в которой значительная часть личного состава была одета в трофейную советскую форму, ускользнула от советских войск и достигла Пильзена, где сдалась американцам. Однако она была вскоре передана Советской армии.