Start von Cape Canaveral (KSC); Landung 2000 km südlich von Hawaii im Pazifik.

Drei Tage nach dem Start fiel das Navigationssystem aus. Die Positionsbestimmung musste daher ohne technisches Gerät, nur mit Hilfe eines klassischen Sextanten erfolgen. Zudem fiel, kurz nachdem die Mondlandefähre "Orion" sich von dem Kommandomodul "Casper" in der Mondumlaufbahn getrennt hatte, der Schwenkantrieb des Haupttriebwerks der Apollo teilweise aus. Die Bodenkontrolle stellte nach Simulationen fest, dass die redundanten Systeme noch arbeiteten, so dass die Mission wie geplant fortgesetzt werden konnte.

Mit Apollo 16 wurde das fünfte bemannte Mondlandeunternehmen durchgeführt. Als Landegebiet hatten die Wissenschaftler den Krater Descartes ausgewählt. Drei Ausstiege auf die Mondoberfläche wurden von John Young und Charles Duke bei 71 Stunden 2 Minuten Gesamtaufenthalt durchgeführt. Das Mondauto LRV kam zu seinem zweiten Einsatz.

Die erste EVA erfolgte am 21. April 1972 (7h 11m). Dabei wurden erste Experimente aktiviert, Material gesammelt und eine Fahrt mit dem LRV zum Spook-Krater unternommen. Die zweite EVA wurde am 22. April 1972 (7h 23m) unternommen. Diesmal wurden 11,1 km mit dem LRV zurückgelegt (zum Stubby bzw. Wreck Krater). Auch bei dieser EVA wurde wieder Material eingesammelt. Bei der letzten EVA am 23. April 1972 (5h 40m) führte die Fahrt mit dem LRV zum North Ray Krater. Insgesamt wurden 95,71 kg Mondgestein und sonstige Materialien mit zurückgebracht.

Nachdem John Young und Charles Duke in die Kommandokapsel Casper umgestiegen waren, sollte die Mondfähre wie üblich kontrolliert auf den Mond stürzen. Nach dem Abkoppeln begann die Fähre jedoch zu taumeln. Das geplante Zünden der Triebwerke wurde nicht durchgeführt, so dass die Aufstiegsstufe noch etwa ein Jahr in der Mondumlaufbahn blieb, bis sie an einem unbekannten Ort abstürzte.

Vor dem Verlassen des Orbits wurde noch ein kleiner Satellit aus der SIM Bay des Apollo-Raumschiffs ausgesetzt. Dabei handelte es sich um das gleiche Modell, das auch schon Apollo 15 in eine Mondumlaufbahn gebracht hatte. Der Satellit untersuchte die Erscheinungen der Erdmagnetosphäre sowie den Sonnenwind in Mondnähe und dessen Einfluss auf das Magnetfeld, bis er auf dem Mond zerschellte.

Eine EVA wurde von Thomas Mattingly am 25. April 1972 (1h 24m) während des Rückfluges zur Erde zur Bergung von Filmkassetten ausgeführt. Außerdem wurde von ihm das Equipment überprüft und ein Detektor an die Kapsel angebracht. Die Crew absolvierte darüber hinaus noch einige wissenschaftliche Experimente.

Das Raumschiff "Casper" landete 5 km entfernt vom Bergungsschiff USS Ticonderoga. Beim Wiedereintritt mussten die Astronauten eine Verzögerung von 7,19 g ertragen, der höchste Wert, der für eine Apollo-Mission gemessen wurde.