Ту-16 поставлялись военно-воздушным силам Египта, Индии, Индонезии и Ирака. В ВВС Советского Союза они состояли на вооружении дальних бомбардировочных авиаэскадрилий, базировавшихся на севере, Дальнем Востоке, на Украине и в Крыму. Ту-16 – первый советский бомбардировщик, с борта которого была сброшена водородная бомба. Активное участие принимали Ту-16 и в боевых действиях в Афганистане. В числе боевых задач, к выполнению которых привлекались самолеты Ту-16, относились, в частности, ночные бомбовые удары по открытым участкам местности в тылу противника. В арабо-израильском вооруженном конфликте в 1967 году Ирак применял самолеты Ту-16 для проведения авианалетов на территорию Израиля. Самолет показал себя как надежная и неприхотливая машина. Индонезия использовала Ту-16 в вооруженном конфликте с Малайзией для «коротких внезапных налетов» на оборонительные позиции противника на его территории. Особо отмечались скоростные качества Ту-16, позволявшие уходить от преследования истребителей ВВС Великобритании «Джевлин» фирмы «Глостер», которые принимали участие в этом конфликте.
Серийный самолет Ту-16 после уменьшения его массы оснащался появившейся позднее версией двигателя АМ-ЗМ с тягой 9 500 кгс. Меньший вес боевого самолета и мощный двигатель позволяли развивать скорость 992 км/час. Даже имея на внешней подкрыльевой подвеске две ракеты КСР-11 (условное наименование в НАТО – «Кельт» или AS-56), Ту-16 мог достигать скорости 786 км/час. Оборонительное вооружение самолета состояло из шести спаренных авиационных пушек АМ-23 с дистанционным управлением и одной неподвижной курсовой пушки в носовой части. Скорострельность пушек составляла 900 выстрелов в минуту. Предусматривалось также размещение на самолете Ту-16 двух ракет КСР в различных модификациях, которые подвешивались на подкрыльевых пилонах или находились в бомбовом отсеке.
Ту-16 использовали для выполнения самых разных задач. Всего было разработано почти полсотни различных вариантов. Вот основные из них (в скобках указан год, когда та или иная модификация впервые поднялась в воздух):
Ту-88 – опытный образец (1952);
Ту-16 – серийный самолет (1954);
Ту-16Р (Ту-92) – разведывательный самолет (1954);
Ту-16К-10 – самолет-ракетоносец с ракетами К-10 (условное наименование в НАТО «Киппер» AS-2) (1961);
Ту-16К-11 – самолет-ракетоносец с ракетами КСР (условное наименование в НАТО «Кельт» AS-5А) (1962);
Ту-16РЭБ – самолет радиоэлектронной борьбы (1962);
Ту-16К-26 – самолет-ракетоносец с ракетами КСР-5 (условное наименование в НАТО «Кингфиш» AS-6)
Ту-16З – воздушный топливозаправщик (1970);
Ту-16ЛЛ – летающая лаборатория (1980).
К началу 90-х годов в боевом составе ВВС осталось сравнительно немного Ту-16. Несколько самолетов продолжали использоваться в качестве летающих лабораторий. Еще несколько машин применялось для обучения летного состава «Аэрофлота» полетам на Ту-104, эта модификация называлась Ту-104Г.
В 1957 году Советское правительство передает Китаю лицензию на организацию производства в КНР самолетов Ту-16. В Харбине на авиационном и моторостроительном заводе начинается серийное производство самолета под обозначением Н-6. Здесь же готовилась программа производства самолетов Н-5 – лицензионного варианта ильюшинского Ил-28, но завод такой нагрузки не выдерживал, и программу передали на авиастроительное предприятие в Силянь. В Харбине из поставленных Советским Союзом узлов и агрегатов собрали несколько Ту-16, которые в первый раз поднялись в воздух в 1959 году за три дня до национального праздника Китая (1 октября).
Хотя в ОКБ Туполева утверждают, что Китаю были переданы все технические чертежи, китайская сторона заявляет, что получила неполный комплект и местным конструкторам пришлось проделать немалую работу по составлению примерно 15 400 дополнительных чертежей. В результате небывалой по сложности для китайской промышленности конструкторской работы были внесены изменения в конструкцию фюзеляжа, вертикального хвостового оперения и передней стойки шасси.
14 мая 1965 года с борта Н-6 была сброшена первая китайская атомная бомба. Несколько самолетов переоборудовали для выполнения задач электронного противодействия.
Из-за задержек, связанных с длительной передачей производства, первый полностью построенный в Китае самолет Н-6А поднялся в воздух только 24 декабря 1968 года. Пилотировал его китайский летчик Ли Юань-и.