2007年，16号线规划初步成型。线路贯穿京城南北，连接回龙观、积水潭、金融街、北京西站、丽泽商务区、郭公庄等地。 此后，为了支持海淀山后地区的开发，解决当地交通难题，16号线北段改走永丰、苏州街、国家图书馆一线，同时放弃了进入积水潭、金融街地区。 而随着新丰台火车站规划的出台，16号线南下至丽泽商务区后即向西转，接驳新丰台站，取代南延至郭公庄的规划；同时线路继续西延至晓月苑地区。
在规划晚期，16号线发生了两个有争议的改动。其一是取消动物园站，此举虽可避免线路过多的转弯，但不能有效疏导动物园交通枢纽的客流，同时也令6号线不得不在三里河路北口处增设二里沟站供换乘使用，降低6号线的旅行速度。 其二是取消晓月苑站，避免穿越丰台西编组站的高难度施工的同时，延续了晓月苑地区居民长期的交通不畅，尽管当地居民多次呼吁，晓月苑站仍未恢复。 不过，16号线最终得以在晓月苑附近的抗战雕塑园处设置宛平城站，一定程度缓解了当地居民出行难的问题。
2010年12月，16号线规划方案被北京市政府原则性同意。
2011年5月4日，16号线规划方案获得北京市规划委批复。
2012年10月26日，铁道第三勘察设计院发布《北京地铁16号线工程环境影响报告书简本》，位于达官营站和木樨地站之间的小马厂站被取消。
2013年2月，山后线苏州街至永丰段（全长13千米）并入16号线。 4月25日，16号线车站设计方案开始展示。 8月6日，市规划委公布16号线西苑至苏州街段线路规划调整方案。为保证北大高精密仪器正常使用，经过北大西南墙外颐和园路下方的线路向西移动一定距离。原海淀桥站取消，新增万泉河桥站。 12月10日，铁道第三勘察设计院发布16号线二期（原海淀山后线）工程环境影响报告书简本和工程公众参与第二次信息公示。
16号线于2013年3月至6月间陆续开工建设。
2013年12月12日，16号线丰台段（丽泽商务区至宛平城）正式启动施工。
2014年4月，16号线永丰站、永丰南站正式开工。 6月，16号线屯佃站开工。
2015年4月18日，16号线永丰站-永丰南站区间盾构率先实现双线贯通。 5月18日，16号线宛平城站核心区段主体结构封顶。 7月18日，16号线马连洼站实现首段中板浇筑。 16号线北段（西苑至北安河）将于2016年年底开通，南段（宛平城至西苑）将于2018年年底开通。
