Posteriormente la división sería asignada al XII Cuerpo de Ejército, de cara a la ofensiva del Ebro. El anarquista Manuel Mora asumió el mando de la unidad. El 28 de julio la 16.ª División cruzó el río, dirigiéndose hacia la zona de Gandesa en apoyo de las unidades republicanas que ya estaban allí desplegadas. La división quedaría posteriormente situada en el sector centro de la bolsa republicana, a las órdenes del mayor Pedro Mateo Merino. Junto a la 35.ª División y efectivos de la 46.ª División —reforzados con fuerzas blindadas— participó en los asaltos republicanos contra Gandesa, que se saldaron con un fracaso. A comienzos de agosto fue asignada al XV Cuerpo de Ejército de Manuel Tagüeña. El 22 de agosto un ataque franquista contra las posiciones de la 16.ª División cerca del vértice «Gaeta» provocó su desbandada, incluido el comandante de la unidad, que fue fulminantemente destituido. Paradójicamente, un día antes el mayor de milicias Mora había firmado una orden que decía: «Cualquiera quien sea que abandonara su puesto, padecerá y le será aplicado el justo castigo a que son acreedores, en cuya aplicación este Mando será inflexible».