Der Start erfolgte vom Kosmodrom Baikonur. Die Kapsel landete 300 km nördlich von Dsheskasgan / 30 km südwestlich von Arkalyk.

Die Mission stellte eine vollständige "Generalprobe" für die gemeinsame amerikanisch-sowjetische Mission Sojus 19 EPAS / ASTP dar. Alle relevanten Flugmanöver wurden von den beiden Kosmonauten getestet.

Nach einer ersten Flugbahnkorrektur im fünften Erdumlauf erreichte Sojus 16 einen Orbit in 177 x 223 Kilometer Höhe. Weitere Triebwerkszündungen führten über Übergangsumlaufbahnen von 190 x 240 Kilometer und 221 x 224 Kilometer zum für ASTP vorgesehenen kreisförmigen Orbit in 225 Kilometern Höhe. Danach nahmen die Kosmonauten die vorgesehenen Tests der neuen Bordsysteme vor.

Dabei ging es insbesondere um die Erprobung des androgynen Kopplungssystems und die Veränderung der Kabinenatmosphäre. Die Apollo-Atmosphäre bestand aus reinem Sauerstoff. Bei der Sojus wurde eine Normalatmosphäre (Stickstoff/Sauerstoff) verwendet. Um bei den geplanten Umstiegen die Schleusenaufenthalte zur Blutanpassung nicht zu lange werden zu lassen, wurde in der Sojus der Sauerstoffanteil erhöht und der Kabinendruck von 760 mm auf 540 mm Quecksilbersäule vermindert. Für das neuentwickelte Kopplungsaggregat wurden hydraulisch simulierte Ankopplungen mit einem mitgeführten Gegenstück durchgeführt (32. und 38. Erdumkreisung). Weiterhin wurden neue Rendezvousradar-Einrichtungen, Rendezvouslichter, neue Solarzellenflächen und verbesserte Lebenserhaltungssysteme getestet.

Im weiteren Verlauf des Fluges wurde der mitgeführte Dockingring abgesprengt und das Sojus-Raumschiff führte Manöver aus, wie sie für das Experiment der künstlichen Sonnenfinsternis bei Sojus 19 EPAS / ASTP vorgesehen waren.

In ihren Raumanzügen hatten die Kosmonauten ihre Plätze im Landemodul eingenommen, nachdem sie die Luke zur Orbitalsektion geschlossen hatten. Dann richteten sie das Raumschiff so aus, das die Triebwerke des Geräteteils in Flugrichtung zeigten. Diese wurden kurz darauf für 105,6 Sekunden gezündet und leiteten den Abstieg zur Erdoberfläche ein. Im nächsten Schritt erfolgte das planmäßige Abtrennen der Orbitalsektion und des Geräteteils, die beide in der Erdatmosphäre verglühten. Das verbleibende Landemodul wurde so ausgerichtet, dass der Eintrittswinkel für eine möglichst genaue Landung in Kasachstan erreicht wurde. Nach dem Eintritt in die Erdatmosphäre brach der Funkkontakt wegen der heißen Plasmagase rund um die Kapsel ab. Dann löste sich der Deckel des Fallschirmbehälters und der Bremsfallschirm wurde ausgestoßen. Nachdem auch der Hitzeschutzschild abgetrennt worden war, schwebte die Sojus an ihrem Hauptfallschirm Richtung Erdboden. Kleine Feststoff-Bremsraketen, die kurz vor dem Berühren des Bodens ausgelöst worden waren, verminderten die Aufprallgeschwindigkeit. Sofort nach der erfolgreichen Landung wurden die Fallschirmleinen gekappt, damit die Kapsel nicht durch den Wind über den Boden gezogen werden konnte. Nach der Landung gehört es zum Ritual, dass die Kosmonauten das Raumschiff mit ihrer Unterschrift versehen.

Sojus 16 landete auf hartgefrorenem Boden 30 km südwestlich von Arkalyk. Sowohl von sowjetischer Seite als auch von den USA wurde die Mission als voller Erfolg im Hinblick auf das bevorstehende gemeinsame Unternehmen bewertet.