Od 6 października uczestniczyła w walkach w rejonie Połocka. Od 22 czerwca 1944 w ramach potężnej operacji Bagration wyzwalała obszary Białorusi. 13 lipca przekroczyła granicę białorusko-litewską w rejonie Szawli, gdzie poniosła ciężkie straty. W sierpniu wydzieliła kadrę oficerską dla nowo formowanej na obszarze Litwy 50 Litewskiej Dywizji Strzeleckiej. Od 5 października działała w północno-zachodniej części Litwy w składzie 2 Armii Gwardyjskiej. W połowie października walczyła z powodzeniem w rejonie Kłajpedy z niemiecką Dywizją Grenadierów Pancernych „Großdeutschland”, co było jednym z jej najbardziej chwalebnych dokonań bojowych. 31 października została odznaczona sztandarem Czerwonej Gwiazdy, zaś 10 jej żołnierzy, w tym 4 Żydów, otrzymało tytuł Bohatera Związku Radzieckiego. Następnie 16 DS przemaszerowała w kierunku północnym do Kurlandii, gdzie walczyła z okrążonymi wojskami niemieckimi. W styczniu 1945 została na pewien czas wycofana z powrotem na Litwę, aby zlikwidować resztki wojsk niemieckich (m.in. znowu zdobyła Kłajpedę, która została odzyskana przez Niemców). Odtąd uzyskała przydomek Dywizja „Kłajpedzka”. W lutym powróciła do Kurlandii, działając tam do końca wojny. 8 maja przyjęła na swoim odcinku kapitulację wojsk niemieckich.