1941年6月22日にドイツ軍がソ連侵攻作戦（Unternehmen Barbarossa：バルバロッサ作戦）を発動させたことで独ソ戦が勃発したが、緒戦でソ連軍はドイツ軍の電撃侵攻を食い止められず、大損害を被って領内深くまで侵攻される危機的な状況に陥った。
このため同年7月1日に軍需工業人民委員D.F.ウスチノフにより、既存の車両をベースに応急的な対戦車自走砲を早急に開発・量産することがソ連各地の兵器工場に命じられた。

この要求に応じて開発された対戦車自走砲で代表的なものが、T-20コムソモーレツ装甲牽引車の車体に73口径57mm対戦車砲ZIS-2を搭載したZIS-30対戦車自走砲であるが（ゴーリキー（現ニジニ・ノヴゴロド）の第92スターリン砲兵工場が開発）、軍需工業人民委員部（NKV）はこれ以外に農業用牽引車を装甲化して、当時のソ連軍戦車の標準武装であった46口径45mm戦車砲20Kを搭載する対戦車自走砲を開発することも要求していた。

この45mm対戦車自走砲の開発はハリコフのハリコフ・トラクター工場（KhTZ）と、スターリングラード（現ヴォルゴグラード）のスターリングラード・トラクター工場（STZ）が共同で行うことになり、1941年7月に自動車牽引車科学研究所（NATI）の戦車部門設計局で、1TMV牽引車の装甲化のための技術設計および37mm戦車砲の装備設計が取りまとめられた。
実際の製作作業は、M.S.シデリニコフ技師の指揮下でKhTZで行われた。

NATIは8月初めには1TMV、CKhTZ、STZ-3およびSTZ-5装軌式牽引車をベースとして、45mm戦車砲を装備した対戦車自走砲の4種類の試作車を完成させた。
これらを用いて入念な試験を行った結果、STZ-3装軌式牽引車の車体をベースとしたタイプの対戦車自走砲を生産することが推奨された。

STZ-3装軌式牽引車ベースの対戦車自走砲は「KhTZ-16」と呼ばれることになり、その最終生産組み立てはKhTZで行われることになった。
KhTZ-16対戦車自走砲のための装甲部品の製作は、クラマトルスクのノヴォクラマトルスク機械工場（NKMZ）が担当することになった。

しかしKhTZ、NKMZの両者ともにドイツ軍の侵攻から逃れるために工場を疎開したため、その後のKhTZ-16対戦車自走砲の装甲部品は第264工場が供給し、STZにおいて最終組み立てが行われた。
KhTZ-16対戦車自走砲の正確な生産数は分かっていないが、約90両程度が完成したといわれる。
そして本車は、1941年10月20日に開始された第1次ハリコフ攻防戦で使用されたことが知られる。

KhTZ-16対戦車自走砲の車体のベースとなったSTZ-3は農業用の牽引車であるため、その作業速度は3.8〜7.9km/hと非常に遅く、そのSTZ-3の車体に装甲ボディと45mm戦車砲を追加して作られたKhTZ-16はさらに機動性が低下し、不整地での巡航速度は4km/hを越えなかったという。
この劣悪な機動性のせいで、KhTZ-16はドイツ軍戦車部隊の展開する機動戦にまったく対応できず、次々と撃破されていった。

第1次ハリコフ攻防戦におけるドイツ第6軍との戦闘においてKhTZ-16対戦車自走砲の多くが撃破され、戦闘で撃破されなかった車両も撤退の過程でほとんどが失われた。
またKhTZ-16対戦車自走砲はその後も、ポルタヴァ戦や1941年10月〜1942年1月のモスクワ攻防戦で使用されたと伝えられる。

KhTZ-16対戦車自走砲の車体のベースとなったSTZ-3装軌式牽引車は、NATIがイギリスのヴィッカーズ・アームストロング社製のカーデン・ロイド豆戦車や、アメリカのインターナショナル・ハーヴェスター社製のTA-40農業用牽引車を参考に1933年に開発に着手し、1937年からSTZとKhTZで量産が開始された軍用・農業用の牽引車で、戦後の1952年まで生産が続けられてその総数は191,000両に上る。

STZ-3牽引車は車体前部の機関室にエンジンが配置され、車体後部が操縦室となっていた。
KhTZ-16対戦車自走砲への改造にあたっては、本車は早急な実戦化が求められていたため車内レイアウトには大きな手を加えず、車体前部を機関室、車体後部を操縦・戦闘区画とした。
車体は、STZ-3牽引車の元の車体をそのままぐるりと装甲板で囲むような構造になっており、ちょっと張りぼて然としていた。

主要部の装甲板の厚さは10〜25mmとなっており、敵の戦車砲弾の直撃に耐えることは不可能で、小火器弾の直撃や榴弾の破片に対する防御力しか備えていなかった。
主砲の46口径45mm戦車砲20Kは車体後部の戦闘室の前面に限定旋回式に装備され、主砲には横に広いかまぼこ型の防盾が装備されていた。

本車の主砲に採用された45mm戦車砲20Kは、ドイツのラインメタル社製の45口径3.7cm対戦車砲PaK36を第8砲兵工場の手で拡大コピーした46口径45mm対戦車砲19Kを戦車砲に改修したもので、AP-HE（徹甲榴弾）を使用した場合射距離500mで46mm、1,000mで32mmのRHA（均質圧延装甲板）を貫徹することが可能であった。
また主砲の右側には、副武装として7.62mm空冷機関銃DTが1挺同軸装備される場合が多かったようである。

戦闘室内には3名の乗員が搭乗し、右側に操縦手、その後方に装填手、主砲を挟んで左側に砲手兼車長が位置した。
戦闘室の右側面と後面には右開き式の角形ハッチが1枚ずつ設けられており、操縦手の視察用にスリット付きのフラップが操縦手席の前面に備えられていた。
さらに操縦手席の右側面および砲手席の左側面と前面には、視察用スリットが設けられていた。

車体前部の機関室の左右側面には、エンジンにアクセスするための前開き式の角形ハッチが1枚ずつ設けられていた。
エンジンの冷却気は機関室上面に3枚設けられた装甲板付きの吸気スリットから取り入れられ、車体前部下方に排気された。

KhTZ-16対戦車自走砲のエンジンは、STZ-3牽引車に搭載されていた1MA 4ストローク直列4気筒液冷ガソリン・エンジン（排気量7,460cc、出力52hp）がそのまま用いられた。
なお資料によっては、本車のエンジンはガソリンではなく灯油を燃料にしていたと記述している。
それによると1MAエンジンの始動は手動のハンドルで行い、始動のためには始動用タンクがあって、そこにはガソリンが使われたという。

燃料搭載量は主燃料の灯油が170リットルで、始動用のガソリンは9リットルであった。
搭載燃料での航続距離は整地で120km、不整地で65kmとなっていた。
変速機は前進5段／後進1段で、直接後部車体フレームに取り付けられていた。
主クラッチは、単板式乾式であった。
操向機はクラッチ・ブレーキ式で、操縦手は操向レバーを操作して操縦する。

電力は単線式で電圧は6.5V、電力源として出力60WのG-32発電機を搭載していたが、無線機は搭載していなかった。
サスペンションはバランス式で、緩衝にはコイル・スプリング（螺旋ばね）が用いられていた。
転輪はゴム縁付きで、2個ずつペアにして横置きコイル・スプリングで懸架したユニットを2組アームで連結して、サスペンションを構成していた。

上部支持輪もゴム縁付きで、片側2個装着されていた。
起動輪は後部にあり冠歯式、誘導輪は前部にあり履帯の張度調整装置付きであった。
KhTZ-16対戦車自走砲の履帯はSTZ-3牽引車のものではなく、よりピッチの狭いSTZ-5装軌式牽引車のものが流用されていた。