Штаб новой дивизии ранее принадлежал восточно-прусской 228-й пехотной дивизии, сражавшейся в Польше в 1939 году. Проходили недели, и дивизия получала новые части. Ее 156-й моторизованный полк был сформирован из 1-го охранного полка и III батальона 10-го пехотного полка (из состава 4-й пехотной дивизии). Она также получила 165-й мотоциклетный батальон, созданный на базе расформированного 3-го пулеметного батальона. Штаб вновь созданного 146-го артиллерийского полка был сформирован из штаба 311-го артиллерийского полка. Ее I дивизионом стал I дивизион 16-го артиллерийского полка, II дивизионом стал бывший I дивизион 697-го артиллерийского полка, a III дивизионом (тяжелый артдивизион дивизии) стал бывший 621-й тяжелый артиллерийский дивизион, который теперь вошел в состав 16-й моторизованной дивизии. Таким образом, в ней было всего три артиллерийских дивизиона вместо обычных четырех. Дивизия также получила 341-й разведывательный батальон, 228-й противотанковый дивизион, 228-й батальон связи и 675-й саперный батальон. Ее части снабжения и обеспечения носили номер 66.
В ноябре 1940 года 16-я моторизованная дивизия была направлена на запад Франции, где проходила обучение. В марте 1941 года она была спешно переброшена в Венгрию, а весной 1941 года сражалась на Балканах, где приняла участие в штурме Сараево. В мае дивизия вернулась в VI военный округ, а вторжение в Советский Союз 22 июня 1941 года застало ее по пути на Восток. В 1941 году она воевала на Украине, где в июле помогала 1-й танковой группе (позднее — армии) прорывать «линию Сталина». Позднее она принимала участие в сражении за Киев — крупнейшей операции на окружение за годы Второй мировой войны, где в плен попали 667 тысяч советских солдат. Затем дивизия была передана 2-й танковой армии и приняла участие в начальном этапе наступления на Москву в октябре 1941 года. Однако к ноябрю она уже вела бои на курском направлении в составе 2-й армии, на южном фланге группы армий «Центр». Там она оставалась все время зимних боев 1941–1942 гг., в ходе которых она понесла тяжелые потери. В июне, когда началось наступление на Сталинград, дивизия по-прежнему оставалась под Курском. Во время затишья, последовавшего за провалом попытки советского командования разгромить группу армий «Центр», дивизия была усилена двумя новыми подразделениями: 116-м танковым батальоном (бывшим I батальоном 1-го танкового полка) и 281-м армейским зенитно-артиллерийским дивизионом, который вскоре был переименован в IV дивизион 146-го моторизованного артиллерийского полка. Однако годом позже дивизион был вновь переименован в 281-й армейский зенитно-артиллерийский.