Chuyến bay đầu tiên được cho là đã diễn ra vào năm 2011-2012.[16]

Tháng 4 năm 2014, PLAAF đã tiếp nhận một trung đoàn J-16.[17]

J-16 đi vào hoạt động năm 2015[1] và chính thức được tiết lộ công khai vào năm 2017 trong cuộc duyệt binh kỷ niệm 90 năm thành lập Quân Giải phóng Nhân dân.[4]

Năm 2021, Không quân Trung Quốc bắt đầu đưa J-16D vào huấn luyện chiến đấu.[18]

Theo Bộ Quốc phòng Úc, ngày 26 tháng 5 năm 2022, một chiếc J-16 đã chặn một máy bay giám sát Boeing P-8 Poseidon của Không quân Hoàng gia Úc trên Biển Đông khi chiếc máy bay này đang tiến hành các hoạt động giám sát hàng hải thông thường trên vùng biển quốc tế.[19] Bộ trưởng Quốc phòng Úc mới đắc cử Richard Marles cho biết, chiếc J-16 đầu tiên bay sát bên cạnh chiếc P-8, phóng pháo sáng và sau đó bay ra phía trước, rồi thả vật gây nhiễu vào đường bay làm một số rơi vào động cơ của P-8.[19] Chính phủ Úc đã phản đối Chính phủ Trung Quốc về vụ việc và Marles nói rằng Úc sẽ không bị ngăn cản tiến hành các hoạt động có tính chất tương tự trong tương lai.[20][21] Theo người phát ngôn Bộ Quốc phòng Trung Quốc, các phi công Úc đã hành động "nguy hiểm và khiêu khích" đồng thời phớt lờ các cảnh báo lặp đi lặp lại trước khi chiếc J-16 đuổi máy bay Úc đi.[22] Trong một bài báo của Lowy Institute - một tổ chức tư vấn của Úc, cho biết vụ ngăn chặn đánh dấu sự leo thang trong các hành động vùng xám mà Trung Quốc đang sử dụng để thực thi các yêu sách của mình ở Biển Đông.[23]

Trong số tất cả các máy bay được triển khai ở eo biển Đài Loan, máy bay chiến đấu J-16 được sử dụng thường xuyên nhất, có thể là do khả năng tác chiến điện tử của nó.[24] Tháng 8 năm 2022, Trung Quốc đã điều động một lượng lớn máy bay chiến đấu J-16 đến eo biển Đài Loan, để đáp trả lại chuyến thăm Đài Loan của bà Nancy Pelosi.[25]