В 1942 году вместе с Л-15 была выбрана для усиления Северного флота и 24 сентября отправилась в переход из Петропавловска-Камчатского через Панамский канал в Полярный. 25 сентября 1942 года в 8.25 Л-16 вышла из порта под командованием Д. Ф. Гусарова совместно с Л-15 под командованием капитана 3 ранга (впоследствии капитан 2 ранга) Комарова Василия Исаевича в поход для перебазирования на Северный флот. 29 сентября 1942 года лодки пересекли 180-й меридиан и вошли в Западное полушарие. Американский сторожевик встретил подлодки у о. Уналашка. 1 октября 1942 года в 15.40 лодки ошвартовались у пирса военно-морской базы США Датч-Харбор. 5 октября 1942 года в 8.00 лодки вышли из порта Датч-Харбор. 11 октября 1942 года в 11.00 Л-16 на подходах к Панамскому каналу была торпедирована. Воспоминания вахтенного командира Л-15 лейтенанта И. И. Жуйко: « В 11.00 с дистанции примерно 7 кабельтовых я поднял бинокль с сеткой для того, чтобы определить расстояние до переднего мателота. Но в окуляре бинокля вместо подводной лодки «Л-16», я увидел огромный столб воды вперемешку с клубами чёрного дыма и листами железа. Не поверив глазам и не поняв, в чём дело, я опустил бинокль и уже невооруженным глазом увидел ту же картину, но только в этот момент почувствовал сильный гидравлический удар о корпус нашей лодки. Через мгновение донесся оглушительный взрыв. Необходимо было уклониться от опасности: Почти машинально я пробил боевую тревогу и дал команду на вертикальный руль: „Право на борт!“. В эти же секунды сквозь прогалины в поредевшем дыму с мостика Л-15 я увидел высоко поднявшуюся над водой носовую часть Л-16, которая быстро уходила под воду. Послышался второй взрыв, глухой треск взламываемых переборок. Лодка увлекала и мертвых, и живых на глубину.[1] » Лодка была торпедирована японской субмариной I-25[2], о чём свидетельствуют заявление токийского радио в 1942 году и воспоминания пережившего войну командира I-25 Мэйдзи Тагами. Среди погибших членов экипажа был фотограф ВМС США Сергей Андреевич Михайлов, служивший переводчиком и офицером связи. Память Images.png Внешние изображения Image-silk.png Памятник Л-16 в Рыбачьем Image-silk.png Памятник Л-16 в Петропавловске-Камчатском Л-16 упоминается в документальном фильме Сергей Брилёва «Тайна трех океанов» (2014).[3] В Петропавловске-Камчатском установлен гранитный памятник Л-16. На главной площади посёлка Рыбачий, действующей базы подводных лодок, в качестве памятника Л-16 установлена рубка однотипной подлодки Л-11.