昭和４０年代に入り、国鉄ではディーゼル機関車による無煙化を進めていました。ところが、軌道の弱い簡易線と呼ばれるローカル線では軸重が１２ｔと制限されており、当時の最新鋭ディーゼル機関車であるＤＤ１３形式やＤＥ１０形式では入線が出来ませんでした。このため、Ｃ５６形式やＣ１２形式などの蒸気機関車を引き続き運用しなければならない状態でした。この状態を改善すべく昭和４６年に登場したのがこのＤＤ１６形式で、６５両が登場しました。
車体はＤＥ１０形式を短縮したスタイルで、エンジンある側のボンネットが長く、運転台が中心からずれたセミセンターキャブスタイルです。エンジンの反対側に重い物を置いてバランスを取る事が出来ないため、運転台、燃料タンク、反対側の短いボンネット内に蓄電池などを搭載して、バランスを取りコンパクトに納めています。この他、車体、台車などの軽量化を行い、運転整備重量４８ｔとし、軸重１２ｔを達成しています。
エンジンはＤＤ５１形式の初期に用いられていたもので、出力の不調により載せ替えにより余っていたＤＭＬ６１Ｓをデチューン（１０００ＰＳから８００ＰＳに変更）して搭載しています。
投入する線区は簡易線と呼ばれるローカル線で、この頃は客車列車はなく、気動車列車が主体であったことから、客車の牽引は考えず貨物列車を牽引する機関車として設計されたため、蒸気発生装置などの暖房用装置は搭載していません。また、輸送量も少ない事から重連運用がないため、重連総括制御装置などの重連運転に必要な装置はありません。
地方ローカル線の無煙化に大きな功績を果たしたＤＤ１６形式ですが、１９７０年代後半に入りローカル線の貨物輸送廃止、国鉄からＪＲへ移行期にはＤＤ１６形式か入線出来ない簡易線と呼ばれるローカル線そのものが廃線となり、多くの車輛が仕事を失いました。入換用として操車場などで使用したくともＤＥ１０形式やＤＥ１１形式が主力となっており、車齢２０年に満たぬうちに廃車されてしまいました。現在はＪＲ東日本、西日本にそれぞれ１両ずつ籍を置くのみとなっています。

０番代

　　　

総数６５両が製作されました。１号機と２号機は国鉄長野工場で製作。国鉄工場で機関車が製作されたのは３０年ぶりで、戦後初、ディーゼル機関車の製作は初めての事として知られています。
ＤＤ５１形式やＤＥ１０形式と同じく、全国各地に配置されており、その地域に応じた仕様（暖地向けや寒冷地向け）となっています。現在は１１号機のみ残っています。

３００番代（マワ車所蔵）

飯山線、大糸線用のラッセル車として０番代を４両改造したグループで昭和５４年に登場しました。ＤＤ１５形式のように車体にラッセル装置を装備すると自重が増え、軸重が重くなり入線が出来なくなってしまうため、新しく雪かき車を設計し、前後に連結するスタイルとなりました。雪かき車から機関車の操作を可能とする装置などを装備しています。
現在は３０４号機のみ残っています。