Namnet på varje katt som dödades av Robert Farmer, 26 år, lästes upp för honom av domaren i Santa Clara Superior Court.
En av katterna visade tecken på att ha blivit sexuellt utnyttjad, sade experter.
Jordbrukaren begick brotten i San Jose 2015. Han hittades sovande i sin bil i oktober samma år med en död katt i mittkonsolen och bitar av päls någon annanstans i fordonet.
Katterna alla försvann i Cambrian Park området i San Jose hösten 2015. Flera husdjur hittades döda, två i soptunnor.
På Mercury News hemsida stod det att videofilmer från en övervakningskamera visade en ung man som tog en 17-årig katt vid namn GoGo. Invånarna pekade ut polisen för Farmer.
GoGo var bland katterna som aldrig hittades.
Ägaren Miriam Petrova var vid hovet på fredag.
Hon sa till NBC News: "Vi kan äntligen säga adjö till varje katt som var inblandad i denna tragedi."
Farmer medgav 21 brott räknas av djur grymhet - döda 18 katter och såra tre - tillsammans med förseelse batteri och vara under inflytande.
Ett brev från honom, som lästes upp av hans advokat, sade: " Det känns som om en annan man begick dessa brott, men jag vet att det var jag. Det är så svårt att förstå att jag gjorde det här. Jag stal en medlem av deras familj. Att jag var galen var ingen ursäkt."
Santa Clara County biträdande distriktsåklagare Alexandra Ellis avfärdade brevet som ett försök att vinna mildhet.
"Domaren instämde i min analys. Hon dömde honom till 16 år, vi kan bara hoppas att det är tillräckligt länge, sa hon.
Farmer förbjöds också från att äga eller ta hand om ett husdjur i 10 år efter hans frigivning, och fick en begränsad order att hålla honom borta från Cambrian Park.
En man i Kalifornien har suttit i fängelse i 16 år efter att ha erkänt att han stal och torterade katter och dödade 18 av dem.