戦後の標準型貨物用電気機関車であるEF15形を改造して誕生したのがEF16形です。
1949(昭和24)年に直流電化された奥羽本線福島~米沢間に導入されたEF15形は、この区間の勾配と寒冷対策として正面窓と前照灯につらら切、運転室内の暖房強化、汽笛の増設、砂箱増設、砂箱ヒーターの取り付等が行われましたが、ブレーキを多用することによる弊害が発生し、これの対策として車輪を水で冷やすため水タンクが増設されましたが解決を見なかったため電力回生ブレーキが本格的に採用されました。
1951(昭和26)年より東芝にて12輌の改造が行われ、外観的には連結面に重連総括制御用のジャンパー栓が取り付けられただけでしたが、新形式としてEF16形が誕生しました。回生ブレーキに変更されたEF16形の使用によりこれまでのブレーキによる諸問題は改善され、運転安全度は大きく向上しました。
1955(昭和30)年から上越線の水上~石打間にも12輌が導入されましたが、奥羽本線用とはブレーキ性能が違うため20番から始まる番号が割り当てられました。このグループの改造は大宮工場で行われました。
奥羽本線においては、1964(昭和39)年にEF64形が導入されたことにより10輌がEF15形に復元されました。残りの2輌は上越線用に変更され水上機関区に転属しました。上越線においても、1980(昭和55)年以降はEF64形1000番代に置き換えられ運用から外れました。