Vào thập niên 1990, Trung Quốc đã mua các máy bay chiến đấu chiếm ưu thế trên không Sukhoi Su-27 từ Nga, bao gồm cả những chiếc được sản xuất theo giấy phép tại Trung Quốc dưới tên gọi Shenyang J-11A.[5] J-11A được tiếp tục phát triển thành biến thể một chỗ ngồi J-11B và biến thể hai chỗ ngồi J-11BS với công nghệ nội địa. J-16 là máy bay tấn công có nguồn gốc từ mẫu J-11BS.[6]

J-16 trang bị một radar mảng quét điện tử chủ động AESA,[1] hai động cơ tuốc bin phản lực Shenyang WS-10A.[7] Máy bay sử dụng nhiều vật liệu composite hơn nhằm giảm trọng lượng.[1] Các đơn vị J-16 đã nhận được sơn hấp thụ radar để giảm tín hiệu radar,[8] và tăng cường khả năng Áp chế Phòng không Đối phương (Suppression of Enemy Air Defenses - SEAD) kết hợp với các hộp đo lường hỗ trợ điện tử.[9]

Buồng lái trang bị hệ thống màn hình hiển thị gắn trên mũ bảo hiểm (HMD) để cải thiện nhận thức tình huống của phi công.[10]

Phiên bản tác chiến điện tử J-16D được phát triển vào thập niên 2010. Nó được cho là đã thực hiện chuyến bay đầu tiên vào năm 2015.[11] J-16D được thiết kế để Áp chế Phòng không Đối phương (SEAD), có chứa thiết bị gây nhiễu bên trong và mang theo nhiều thiết bị tác chiến điện tử bên ngoài.[12]

Theo nhà nghiên cứu hàng không Justin Bronk thuộc Royal United Services Institute, J-16 có nhiều lợi thế hơn so với các biến thể Flanker của Nga nhờ ứng dụng rộng rãi vật liệu composite, tên lửa tầm xa hơn, cảm biến và hệ thống điện tử hàng không hiện đại. J-16 đại diện cho sự chuyển đổi của ngành công nghiệp hàng không Trung Quốc thoát khỏi sự phụ thuộc vào công nghệ Nga trong quá khứ, để hướng tới phát triển các sản phẩm phái sinh hiện đại vượt trội so với bản gốc của Nga về nhiều mặt.[13][14]

Quân đội Trung Quốc đang phát triển khả năng tự hành tiên tiến cho các máy bay chiến đấu. Tháng 3 năm 2021, có thông tin cho rằng một biến thể J-16 với phi công phụ ở ghế sau đã bị thay thế bằng một thuật toán trí tuệ nhân tạo có tên là "chiến thắng tình báo" (tiếng Trung: 智胜; bính âm: Zhì shèng) đang được thử nghiệm tại Shenyang Aircraft Corporation. Một chiếc máy bay tương tự cũng được phát hiện bằng hình ảnh vệ tinh tại một căn cứ thử nghiệm gần Malan, Tân Cương vào tháng 6 năm 2021.[15]