Użycie bojowe Wyprodukowane ciągniki opancerzone weszły do służby w jednostkach przeciwpancernych sformowanych w Charkowskim Okręgu Wojskowym. Kompania przeciwpancerna 14 Brygady Pancernej otrzymała 8 ciągników opancerzonych ChTZ-16, 8 pojazdów przekazano do 71 Samodzielnego Batalionu Czołgów i 12 do 47 Dywizji Czołgów. 8 ChTZ-16 skierowano do 23 Rezerwowego Pułku Czołgów. Około 10–15 kolejnych ciągników pancernych ChTZ-16 wzięło udział w obronie Połtawy pod koniec września 1941 roku gdzie zostały utracone. W połowie października w ramach garnizonu charkowskiego sformowano odrębny oddział przeciwpancerny, który składał się z 47 jednostek pojazdów pancernych przestarzałych typów (25 T-27, 13 ChTZ (T-16), 5 T-26, 4 T-35). W dniach 23–25 października 1941 roku rozpoczęły się walki uliczne o Charków. W tych bitwach wszystkie pojazdy oddziału przeciwpancernego zostały albo zniszczone, albo porzucone podczas odwrotu. Dziesięć pojazdów wchodzących w skład 133 Brygady Pancernej wzięło udział w obronie Moskwy. Co najmniej 9 ChTZ-16 znajdowało się również w 150 brygadzie pancernej Frontu Briańskiego. Ostatnie ChTZ-16 zostały utracone w maju 1942 roku podczas nieudanej operacji charkowskiej.