美国5.56mm口径M16枪族的研制是始于美国陆军的作战研究办公室（Operations Research Office，简称ORO）的一项研究，ORO于1948年9月在约翰斯·霍浦金斯大学创立，其目的是进行提高军事作战能力的相关研究，它的第一个研究项目是“怎样设计出防护性能更好的战斗防弹衣”。ORO调查了超过300万个在第一、二次世界大战中伤亡报告，又向参加过朝鲜战争的士兵进行访问。第一次世界大战的神枪手经常在1200米距离上射击，但大多数被射杀的人都在100米范围内中弹的；而参加过朝鲜战争第602步兵团接受访问的士兵中有大约87%的士兵表示：受地形及其他环境因素的制约，他们的射击目标的距离有95%是在300码以内，许多士兵更说他们所射杀的敌人都在100米以内。研究中也发现不经过瞄准的条件反射式射击和经过瞄准的射击同样可以将敌人击伤或杀死。根据这些研究结果，ORO认为.22口径步枪发射能控制散布形式的成群射弹在300米射程内有相当理想的效果。值得注意的是，这项研究是在陆军军械署人员和英国军械人员为了.28和.30口径子弹的优劣吵得不可开交时秘密进行的。ORO的研究结果实际上跟德国人10年前研制的7.92mm×33短弹的原理相同。根据这些研究结果，军械署于1953年至1957年之间实施了了一项名为“齐射”（SALVO）计划的研究工作。
在实施“齐射计划”期间，一些创新的设计出现了：如同时射出两个弹头的双头弹，埃利·哈维（Earle Harvey）所设计的通过改变弹头形状而使弹道发生变化的设计等。“齐射”计划在1957年作出总结，大陆军团司令部（Continental Army Command，简称CONARC）提出让温彻斯特公司（Winchester Repeating Arms）和仙童公司（Fairchild Engine and Airplane Corporation）的阿玛莱特公司分部研制.22口径的步枪。
而阿玛莱特公司则由尤金·斯通纳（Eugene Stoner，主设计师）、罗勃特·佛利蒙（Robert Fremont，监督原型枪的生产）和L·詹姆士·沙利文（L. James Sullivan，监督方案起草工作）领导的设计小组研制出AR-15自动步枪。
阿玛莱特AR-15
尤金·斯通纳（1922-1997），第二次世界大战结束后他从海军陆战队退役便开始设计步枪。1955年，担任美国仙童发动机和飞机制造公司阿玛莱特（Armalite）分公司射击比赛武器和救生枪主任工程师的尤金·斯通纳开发了一支采用瑞典AG42杨曼（Ljungman）步枪的导气管（也称为气吹式）原理、口径为7.62mm的自动步枪，命名为AR-10。AR-10的设计无论是材料还是外形在当时看来是相当前卫的，机匣采用铝合金，直枪托与小握把采用工程塑料，枪管是铝制的，内套不锈钢衬管，只有枪机和枪机框是采用镀铬钢制件，空枪重仅3.4公斤。
当然，前卫不一定都是好的。1956年，AR-10参与美国陆军的选型试验，当时T44E4和T48步枪已经进入最后的测试阶段。AR-10在试验过程因枪管过热导致枪口装置松动，连续撞击钢衬管而严重开裂，于是被取消资格。虽然AR-10无法与前述两种步枪竞争，但两年后有少量AR-10卖到其他国家，如苏丹和葡萄牙。而且AR-10引起了美国陆军的威莱德·维曼（Willard G. Wyman）将军的注意，他要求斯通纳和阿玛莱特公司设计高初速的.22口径步枪。新的设计要求符合下列各项要求，不过最后一项要求说明陆军对ORO的研究结果并没有充分的理解：
有20发容量弹匣。
装弹后重量少于6磅
能选择射击方式。
每发子弹能500米射程上穿透标准钢盔、防弹衣或3.4mm厚的钢板。
总之，根据这些要求斯通纳开始了研制工作。他的第一个设计是传统式的设计，但在全自动射击时完全无法控制，所以他开始设计缩小型的AR-10，当时是1957年。
AR-10的设计组把AR-10按比例缩小成口径为.222的自动步枪，只用了6个月时间就提交了6支样枪由阿伯丁试验场评审。为了符合最后一项500米穿透力的要求，斯通纳又要求雷明顿公司（Remington Arms Company）改进他们的初速3300英尺/秒（1006m/s）的55格令.222雷明登步枪弹，而研制出来的新型弹药就是著名的.223雷明顿步枪弹。除了口径外，AR-15的枪管改为全钢制枪管，并采用短的棒状消焰减震器，原本位于提把内的钩型拉机柄改成提把后方的Ｔ型拉机柄，其他方面则与AR-10基本一样。
斯通纳的新步枪AR-15其实是把许多其他步枪的设计思想和特点集合起来，包括：
M1941约翰逊步枪的闭锁装置；
FN FAL的机匣盖和枪尾；
T-25的枪管同轴式直枪托；
英国EM2的带有照门的提把；
德国MP44突击步枪的抛壳口防尘盖；
瑞典杨曼步枪的导气系统，不过斯通纳设计的导气系统减少了几个活动零件，使步枪操作更简单，生产成本更低。
另外由于新型弹药允许步枪采用铝合金和塑料等轻型材料，因此AR-15空枪重只有6.35磅（2.89公斤）。但是斯通纳也犯了一些错误，他认为没有必要给枪膛镀铬，而且当时阿玛莱特公司也没有给枪膛镀铬的工艺能力，但军方在第二次世界大战期间的研究表明，对自动武器来说枪膛镀铬是大有好处，因此军队宣布从M14步枪开始，以后生产的步枪都应镀铬。
不管怎样，AR-15的出现引起了美国军方的注意，从1958到1959年，陆军在本宁堡、奥德堡和阿伯汀试验场等地将AR-15与M14进行对比试验。但问题在于当陆军于1958年3月31日开始对AR-15进行测试时，AR-15的完整的研制过程还没有完成，而且由始至终军械工程人员和阿玛莱特公司设计师没有面对面工作过。通过这些试验，表明AR-15重量轻、易操控、易于分解结合，而且步兵部门报告说AR-15会是M14步枪的一个合适的替代品。但在稍后的测试中暴露了一些问题，如枪口焰大、精度不好、侵彻力差、使用30发弹匣时故障率高，而且当雨水进入AR-15的枪管中时发射会导致膛炸。斯通纳重新设计并加强了枪管，但军械工程人员说问题仍然存在，这是.22口径枪管可以预期的问题。在这个时候，斯通纳听说AR-15在军方进行的极地环境可靠性测试中发生了大问题。斯通纳飞到阿拉斯加去了解原因，发现问题出在陆军测试人员身上，他们把步枪分解后就无法正确地重新组合，斯通纳认为这是操作不当所至，要求重新测试。此后，军方就开始阻碍斯通纳对AR-15的改进，但却说如果AR-15改造来发射新的.258口径——军火部门说这是最佳的弹药的话可能更合适。总之，美国陆军对AR-15失去了兴趣，而且AR-15还需要继续研制工作。另外，参谋长麦克斯韦·泰勒将军（Maxwell Taylor）也不支持AR-15而建议继续生产M14。于是，阿玛莱特公司决定停止对AR-15的研究，为了偿还一百四十五万美元的研制费用，仙童公司在1959年12月把AR-15的设计、制造与销售权以现金75,000美元和4.5%的提成卖给了柯尔特武器公司（Colt‘s Patent Firearms Manufacturing Company）。1960年，阿玛莱特公司进行改组，斯通纳在这次改组期间离开了阿玛莱特公司。
现在，柯尔特公司把公司未来命运的赌注押在了AR-15身上，他们要向军方高层发起一次更大胆的攻势。首先，柯尔特公司开始攻击M14步枪，然后，柯尔特公司试图影响国防部的其他高层官员。第一个被说服的高官就是柯蒂斯·李梅（Curtis LeMay）将军，当时的空军副参谋长。在1960年6月4日，空军在德克萨斯州的一个空军基地试验了AR-15，事后李梅将军确定采购8,500支AR-15步枪以代替战略空军司令部的岗哨所装备的M2卡宾枪，此举令AR-15避免夭折。柯尔特公司用同样的方法去影响美国国防部高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）。ARPA也认为AR-15很适合实战使用，于是在1961年8月，越南军援咨询小组要求购买1,000支AR-15让南越军队进行全面的实战测试，被当时的国防部长所批准。在1962年初夏这项采购计划得已实施，在实战测试期间，为南越军担任顾问的美国军事顾问提交了有关AR-15在实战中表现的一些报告：
“在1962年6月16日，第340游骑兵连的一个排在执行任务中……，他们在密林中与三名武装的越共遭遇，两名越共有卡宾枪、手榴弹、地雷和冲锋枪，双方距离约15米，一名游骑兵用AR-15向敌方全自动射击，第一个点射就有三发子弹命中一名越共，其中一发子弹命中头部，严重创伤；另一发是在右臂，也是严重创伤；一发子弹命中他的右侧，产生一个直径5英寸的大洞……这三发子弹中的任何一发所造成的创伤都足以至死的。”
这次试验表明AR-15适合身材矮小的南越政府军士兵使用，不久，国防部正式指示在实战条件下试验AR-15，试验表明AR-15在性能上优于其他武器。而美国陆军在1962年、1963年两次复试AR-15，两次否定AR-15，理由是远距离上精度差，易损坏。但在空军与军援咨询小组的努力下，国防部决定对AR-15和现役的M14进行一次效费比试验。ARPA的报告指出：通过对AR-15和M14的效费比试验表明，如果装备一定数量的AR-15会使美国步兵拥有装备AK-47的苏联步兵所相抗衡的火力，而且价格更低廉。现在国防部长罗勃特·麦克纳马拉（Robert McNamara）有了两个互相矛盾的观点：ARPA的报告支持AR-15，而陆军方面却支持M14。最后连约翰·肯尼迪总统也表示了关注，因此麦克纳马拉命令陆军部长赛勒斯·万斯（Cyrus Vance）对M14、AR-15和AK-47进行对比试验。陆军的试验报告认为M14更适合军队的使用，但是万斯怀疑这些测试方式有欠公正，于是命令陆军监察长调查这些测试所用的方法。监察长的综合报告指出陆军的测试人员明显地偏向M14。柯尔特公司开始利用这个有利事件，他们利用民间媒体谴责军方测试人员过分地夸大M14的优点，柯尔特公司指出与同类步枪相比AR-15并不需要太多的维护，事实上国防部开始购买AR-15时也的确没有得到相应的维护装备。
总之，试验记录证明AR-15的确胜过M14，柯尔特公司也在政治上获得强势支持，美军驻越南总司令威斯特摩兰也多次作出装备的请求，麦克纳马拉在1963年1月23日命令M14停止生产。此时，空军将在越南使用的AR-15命名为XM16。在1963年11月4日，柯尔特公司获得一份104,000支XM16的生产合同——其中85,000支提供陆军的特种部队与空中机动战术部队，另外19,000支供空军的空降特种部队使用。
在1964年2月8日，空军把装备的AR-15正式命名为“美国5.56mm口径M16步枪”（United States Rifle, Caliber 5.56mm, M16）。同时，陆军把他们装备的试验型命名为XM16E1。XM16E1与M16的区别在于其枪机增加了枪机辅助闭锁装置（枪机到位助推器），因为M16的拉机柄只有拉动枪机功能，不能助推，一旦因为某种原因使枪机不能复进到位，枪机就无法闭锁。1967年2月23日，美国陆军决定全面换装改进型的XM16E1，并将XM16E1正式命名为M16A1。M16与M16A1在外形上的区别就在于有没有一个活塞状的枪机到位助推器。柯尔特公司、空军、海军陆战队和尤金·斯通纳都同意在步枪上增加这个使采购单价增加4.5美元的复杂装置，但是陆军赢得这个全面支持是在采用了XM16E1三年之后，1967年2月28日XM16E1正式命名为“美国5.56mm口径M16A1步枪”（United States Rifle, Caliber 5.56mm, M16A1），在1966年6月16日，柯尔特公司获得一份将近840,000支步枪的价值约91,700,000美元的合同，从而确保了M16的前途。但是在1965年至1967年期间，一些主要的问题就暴露出来。
虽然M16只是AR-15的军用编号，但也作了一定程度的改进，下面两幅图片所展示的枪机框和击锤只是这些细微的区别之一。
对于AR-15能成为M16，M14可谓“功不可没”，事情还要从20世纪50年代说起。在北约进行“弹药通用化”即要在北约内统一枪弹口径时，美国认为T65式7.62×51mm枪弹射程远、穿透力强，坚决反对任何降低威力的小口径弹药。于是美国凭盟主地位施加强硬影响，1953年，北约正式决定T65弹为北约制式弹。1957年，美国进行制式步枪的选型试验，参与竞争的步枪包括有已经定为北约制式武器的FN FAL步枪、斯通纳的AR-10和在M1伽兰德半自动步枪基础上设计的T44全自动步枪。
其实选型试验的结果早已内定。美军的制式步枪是不会用外国货的，FAL的参与只是做做样子而矣；AR-10试验时出了问题，但不允许修改，而是立即取消资格。于是T44步枪理所当然地取胜，并定型为M14。
M14刚刚装备部队便立即在越南战场投入使用，在越南的丛林山区中，M14的缺点暴露无遗。M14全长1120mm，带实弹匣时全重4.54kg，由于7.62mm枪弹威力大，在全自动射击时后坐力非常大，射手不容易控制，射击精度很差。最不能忍受的是在越南战场上配发的M14在快慢机上加了锁，钥匙由连长掌握，士兵只能半自动射击，如果要全自动射击则需要向连长申请开锁。在AK47强大火力的压制下，使用M14的美军士兵苦不堪言。此外由于步枪和弹药都太重，通常在巡逻任务中的单兵携带的弹药量不超过100发子弹。因此，在越南战场上的美军迫切地需要一种新的步枪取代M14步枪。1962年美国国防部长麦克纳马拉下令M14立即停产，随后M16便匆匆忙忙地赶赴越南战场救火了。
M14从1957年装备部队，1963年全面停产，1967年被全面换装，只装备了10年时间。其实M14也并非是一支一无是处的枪，它只是一支在错误的时间、错误的地点、被错误使用的枪而矣。
一般来说，美军装备一支新型步枪总是要经过反复多次，极为慎重的试验与评价的，而M16在试验与评价都不够充分的情况下便装备部队，这就使它先天不足，以致以后屡遭弹劾。
M16全面配发到部队后首次在战斗中登场是在1965年11月越南德浪河谷（Ia Drang）的战斗，而且表现得相当好。哈罗德·G·摩尔（Harold G. Moore）中校（后升为中将）在报告中写道：这次胜利是由“勇敢的士兵和M16带来的”。（题外话：哈罗德·G·摩尔与当时的随军记者约瑟夫·L·盖洛威合写了一本关于德浪河谷战斗的回忆录，书名为《我们曾经是年轻的士兵》，该书在2002年被拍摄成电影《我们曾经是士兵》，由梅尔·吉布森主演。）
但是当M16配发的数量增加时，关于战斗失利的报告也是这样写的。从1966年秋天开始，越南战场上频频传出M16出现故障的消息。在1967年5月，一名海军陆战队员所写的家信中就有这样的内容：
“我今天上船时刚好收到了你的信。从上个月的21号到今天我们都在实施一次行动。目前敌人伤亡很大，而海军陆战队的伤亡比较轻微所以我才能回到基地看报纸。让我给你一些统计数字看看为什么说伤亡轻微。在我们营里失去了接近1400人，有半数的人能回来。我们连里失去了250人，有107人回来。我们排里失去了72人，有19人回来。我想我的运气到头了，他们（死神）最后也会找上我的。可是，我只是被一块小弹片打中了。我希望我的伙伴们都可以说这样的话。
……信不信由你，你知道是什么东西杀了我们大部份的人吗？是我们自己的步枪。在我们离开冲绳岛之前，我们全部都配发了这种新式步枪——M16。实际上我们发现几乎每个人的死的时候都在维修他的步枪——因为他的步枪出故障了。有一位跟我们在一起的女记者拍下了这些照相，五角大楼发现后不让她公开这些照片。他们说不希望会影响到美国公众的情绪。这不是很可笑吗？”
柯尔特公司立即派出几个专家小组奔赴现场，美国参议院武装部队委员会、《美国步枪手》杂志等也派人前往调查、采访。当时M16存在的主要问题有：弹膛污垢严重、卡壳、拉断弹壳、弹匣损坏、枪膛与弹膛锈蚀、缺少擦拭工具，尤其在恶劣条件下，情况更为严重。此时，由凯萨琳·利莱（Catherine Leroy）拍摄的这些照片在巴黎《竞赛》杂志上公开，消息传到国内，一片哗然，批评M16的浪潮此起彼伏，尤其是反对采用小口径的人推波助澜、添油加醋。
这些故障的原因是多方面的，越南气候潮湿，温度高，若不注意擦拭维护，很容易使枪生锈，但将改用步枪弹发射药是主要原因。M16原本所用的M193枪弹原装杜邦公司的IMR4475单基管状药，这种药燃速快、压力曲线升得快、残渣少。不久，杜邦公司通知陆军说他们无法大量生产IMR4475。1964年1月，陆军决定采用奥林公司的WC846双基球形药，他们认为这种发射药易于生产，成本低，而且燃速慢，降低了峰压，有利于提高枪管寿命，而且原本T65枪弹也是使用这种发射药的。但事与愿违，M193弹采用WC846药后便出现了很多问题：球型发射药燃烧后会在M16的枪管和导气管中留下一些粘粘的残渣，由于枪管没有镀铬，而导气系统又没有相应的维护装置和适合的润滑物，因此很难迅速使步枪恢复正常使用状态；由于球型发射药的弹道特性导致导气孔的压力，加上缓冲装置质量很轻，M16的全自动射速从正常状态下的每分钟750-850发大大提到到每分钟850-1000发；另外由于枪机开锁时剩余膛压高，残渣也增加了膛壁与弹壳之间的磨擦力，因此经常出现卡壳和断壳现象；此外，对M16的生产全过程缺乏一个有效的管理体制导致的质量问题也是一个重要原因。除上述原因外，装备M16的部队缺乏必要的训练和指导也导致M16在战斗中出现了很多戏剧性的故障。
针对战斗中表现出来的问题，一个由国会组成的委员会于1967年5月15日开始着手调查，首席代表是密苏里洲的民主党员理查德·伊萨霍特（Richard Ichord）。他在本宁堡和彭德尔顿营进行测试观察M16的故障，并直接专程前往越南评定问题，调查委员会在1967年6月下旬提交报告，陈述“看上去所谓问题重重的M16其实是一支非常优秀的步枪，其在应用中发现的种种问题均由部队内部管理不善所致。”但抽壳困难和射速的问题是由设计的缺陷引起。为了解决设计中的一些问题，M193弹中容易产生残留物的含钙元素的碳酸盐的含量由原来的1%减少到0.25%，这样就使M16导气管的堵塞现象减少了一半，抽壳困难的现象也得到了解决。柯尔特公司也对M16本身进行了改进，例如弹膛镀铬；重新设计缓冲器（即复进簧导管），使射速降低到正常状态；设计一种维护工具以及新的枪托，使清洁工具能贮存于步枪内；膛线缠距由14英寸改为12英寸；严格控制生产工艺，提高产品质量。最后，还制订了一项“应该如何正确地维护M16”的庞大训练计划，并印制了一份连环漫画式的步枪维护手册发给士兵，这项措施是关于操作问题的最终解决方法。在操作性能和生产问题上所作的努力，使得M16/M16A1的运作开始变得相当可靠了。
在解决了故障频频的问题后，下一个最迫切的问题，就是如何把更多的步枪交到正需要它们的步兵团的手上。1966年，柯尔特公司是M16/M16A1的唯一生产商，月产25,000支。1967年6月30日，美国政府购买了M16的专利与特许生产权，然后就增加了两个承包商，在1968年4月，通用汽车公司的Hydramatic分部（Hydramatic Division of General Motors Corporation）和哈灵顿·理查森公司（Harrington & Richardson）开始生产M16/M16A1，月产分别为25,000支。1969年柯尔特公司扩建，M16的月产量达到50,000支。1970年5月，三家公司的最高月产量达到89,000支。到1971年，通用公司和哈灵顿公司相继停产M16/M16A1，而柯尔特则仍在为美军提供M16/M16A1步枪，直到1988年。
M16与AK47的首次较量是在越南战场上，在很多对比两支枪性能的报道中都会提到当时很多美军士兵在缴获AK47后，宁愿扔掉M16而使用AK47，使人感觉到M16十分不可靠。但据一些轻兵器专家查证，常常被扔掉的是M14步枪，扔掉M16也是存在的事实，却远不如人们所想像的普通。每一批M16A1在配发到部队前，都会进行可靠性抽试，抽试的结果中表明M16A1平均故障率为0.033%，低于指标要求的0.15%，平均无故障工作时间为3000发。通过严格控制生产工艺，M16A1还是具有良好的可靠性的。尽管M16最初在越南战场上表现得故障频频，但问题在六个月内就解决了，M16/M16A1在战斗表现中证明了尤金·斯通纳设计了一把优秀的步枪。
当美国深深地陷入越战的泥潭中时，还出现了几个M16的衍生型，包括一种短命的狙击步枪和XM177等。在越南作战的美军普通反映M16、M16A1火力猛、重量轻，比M14易于携带。据在越南作战的美军第一骑兵师的一位指挥官Ｐ·Ｗ·肯德拉中尉介绍，该师的一个班被三面包围在山上，为了呼叫直升机火力支援发射了信号弹。北越士兵以为他们要撤退，于是加快了进攻速度，结果受到M16A1的猛烈射击，伤亡惨重。
当时北越士兵经常采用挖地道偷袭的方法令美军吃了大亏，后来美军特种部队就埋伏在探听到的地道出口附近，北越士兵刚出来就被M16密集的火力所射杀，于是他们称M16为“黑枪”（Black Rifle）。他们还经常谈论：“小黑枪与小弹能打大孔”。虽然美军在越南战场失利，但M16却从越南战场起步，仅柯尔特公司在这段时间内就生产了350万支M16。1974财年，美国陆军采购了270万支。M16开始走向世界，并在世界各国军队在掀起的一股小口径步枪热潮。
在1970年3月13日，美国陆军要求其他北约国家仿照美国军队的做法把M16/M16A1定为北约的标准配备。英国人的反应十分强烈。在大约二十年前，英国军队曾强烈地反对美国军械人员把7.62mm T65弹定为北约标准弹，因为英国人认为他们的.280口径子弹更好，而现在美国陆军却竟然要求他们采用一种口径更小的子弹！！！但无论如何，M16/M16A1在越南战争后期的表现非常优秀，北约组织决定选用新的小口径枪弹作为北约的标准配备。
北约组织在1977年4月至1979年春期间进行了一系列的测试以决定新的北约制式弹，大部份北约成员国家提交的弹药都是以标准的5.56mm M193 M16弹为基准研制的，但是西德则推出了4.7mm无壳弹。在所有测试完成后，在1980年比利时的SS109弹被选定为第二种北约标准弹。SS109弹的弹头为组合钢弹芯，枪口初速为每秒3000英尺（915m/s）。它的优点是有效射程比美国的M193弹更远，适合轻机枪使用，但是要完全达到这种性能表现必需将膛线缠距改为7英寸，而原来的M16/M16A1的膛线缠距为12英寸。当SS109弹在缠距为12英寸的步枪中发射时，SS109弹的表现只比M193弹好一点点。因此，为在步兵班内使步枪和轻机枪使用同一弹药，M16A1需要进行改进以适应发射SS109弹，美国军方决定尽快改变膛线缠距并改进M16/M16A1的一些不足。同时，美国海军陆战队根据M16A1在部队使用的十几年来的意见也对M16着手改进并试验，到1985年，陆军正式承认其改进的成果，改进后的M16A1E1被正式命名为M16A2。
斯通纳本人一直对M16A1情有独钟，所以对于M16A2的改进一直耿耿于怀。他曾经说过，改进前和改进过程中，从来没有征求过他的意见，改完后才让他看；他还形容M16A2除了护木以外，其它改动没有任何价值。他已经忘记了M16A1的起家正是基于使用部队的呼声。
海军陆战队改进的M16A1命名为M16A1E1，较之M16A1有如下改进：
改用比利时SS109枪弹（美军型号M855），膛线缠距由12英寸改为7英寸，理论射速达到700~900RPM；
护木前方的枪管外直径加粗到18.5mm，接近消焰器直径，以增加枪管坚固性，提高单发精度，枪管因此加重170克；
为节省弹药，将连发射击方式改为三发点射；
为符合人体工程学，枪托加长了16mm，以便于抵肩方式进行瞄准射击，更坚固耐用；
三角形左右两半式的护木改为圆柱形上下两半式，护木外表有散热肋条，也可以起防滑作用；
原直径2mm的觇孔改为5mm，以方便瞄准近距离运动目标，准星尖由圆柱形改为方柱形，照门的风偏和高低可调；
取消了枪口消焰器上的两个下方的开孔，以抑制枪口上跳和避免卧射时枪口扬尘；
抛壳口后面增加了一块凸起，阻止弹壳后抛，方便左撇子射手使用；
枪托、护木和握把材料改用纤维增强尼龙；
枪托有防滑底板，直形小握把改为有手指槽的握把。
在1981年夏季期间，M16A1E1进行了非常彻底的测试，并且在1982年9月定型为M16A2，但直到一年后，即1983年11月20日它才正式地被海军陆战队采用。而此时陆军中的部分人正试图说服相关部门不要采用M16A2，虽然他们也承认大量的M16A1在长期使用和训练中已经很损耗严重了，但最后，陆军还是在1985年采用了M16A2。
1986年，美国陆军部宣布在8年内（1986~1994）采购2000万支M16A2步枪进行全面换装。本来，柯尔特公司也参与了M16A2的改进计划的，但在1988年，柯尔特公司却因为报价高于FNMI（比利时FN公司在北美开设的制造厂）而失去美国陆军订购M16A2的生产合同，结果美军装备的M16A2枪身上被打上了FNMI的标志。
M16A2的初始型号只具备半自动和3发点射功能，这迎合了某些美国陆军高级军官的主张。而英国专家特别赞赏这种发射方式，他们认为“可控的3发点射可以得到较高的命中率，这比一下子向敌方喷射10或15发子弹要好。”
但美国一些军事专家和技术专家激烈反对。因为这种设计思想从根本上动摇了突击步枪的宗旨。突击步枪在战术使用上的主要意图是借助突然和猛烈的火力阻止、压制、歼灭或震慑敌人。所以M16A2定型后又推出有一些有全自动发射功能的改型，不过这些全自动的M16A2多用于出口，美国陆军和海军陆战队装备的多是三发点射的美国政府标准型（Model 645）。另外，柯尔特公司向执法机构销售的M16A2名称为RO901。
在这件事上，斯通纳本人也是激烈地反对M16A2的初始型号，他并不反对3发点射机构，但反对用3发点射代替全自动射击，因为这完全背离了他当初设计M16的初衷。早在20世纪60年代，美国有相当一部分军人倾向于步枪的半自动射击方式，理由是全自动射击白白浪费弹药，当时斯通纳据理力争。不少专家发现在二战当中，大约有4/5的M1伽兰德步枪手在战斗中不扣扳机，距BAR步枪越近的士兵越是呆看BAR连续射击的壮观场面，因此士兵得出“半自动在实战中无用”论。斯通纳认为半自动步枪即使在一名训练有素的士兵手中也难以发挥威力，原因有以下几点：①选择目标时犹豫不决；②敌人一反击就停射；③邻兵伤亡时分散精力；④扣一发响一发，由于紧张甚至恐惧弹头射出去不是偏高就是偏低。具有全自动射击方式的步枪则完全是另一回事。士兵握住着BAR这样的枪会感觉到他已经控制着一个区域，只要敌人在这个区域，就hose it down（用子弹橡皮水管浇它——形容全自动射击的美军俚语）。
虽然美军对M16步枪进行了多次改进，但M16仍有许多不尽人意之处。例如野战分解比较复杂；全枪较长，机动性较差；加粗枪管会提高性能，但影响到M203榴弹发射器不能挂装而只好只加粗护木以前的枪管；三发点射机构设计不佳，每发射3发凸轮转动一圈，如果中断射击停止的位置不同，再次扣动扳机的扳机力就不一样以致影响单发射击精度等等。其中一个重要问题就是枪机太轻，惯性小，容易出现后坐不到位或复进不到位的故障，尤其中泥水或风沙等恶劣环境中受影响最大。
在黛米摩尔主演的电影《G·I·Jane》中海豹队员在M16的枪口上套上避孕套的情节并非虚构。M16的说明书上说明枪管进水后不能立即射击，这是因为M16的导气管太长太细，如果进水使会影响自动射击。如果士兵需要携枪潜水，一个基本的解决方法是在枪口上紧紧地套上避孕套。
不过，尽管曾被预言M16在沙漠环境中使用将会产生很多问题，但M16枪族在海湾战争中表现得非常可靠。
1987年9月底，美国陆军提出了“美国陆军轻武器总规划”，规划中坦承当时美国在轻武器方面没有技术优势，是近斯的一种过渡措施，M16A2作为单兵武器至少要装备到1994年。在1989年开始的ACR（先进战斗步枪）计划的目的之一就是寻求M16A2的替代品。但由于没有一个ACR的参与竞争者能表现出综合性能比M16A2有大的提高，这个计划最终被取消。
现在美军已经抛弃了某些人所主张的“轻武器万能论”，肯定了单兵武器并不是单独作战的，而是主要对付有生目标、轻型车辆和防御工事内的敌人。至于轻装甲目标和低速空中目标则由其它专门武器对付。M16系列仍可满足目前的基本使用要求，所以美军决定继续改进和使用M16系列，至少会用到2010年。
柯尔特公司的ACR方案是在M16A2的基础上作出改进，新的伸缩枪托，新的握把，新的护木，新的枪口制退器和发射双头弹，并取消提把，由于这个方案相当保守，当时已经有人称其为M16A3
进入1990年代，由于ACR计划夭折，美国军方已经看不到依靠现有技术为士兵提供革命性的制式步枪，因此他们倾向于对原有武器进行修改，于是出现了M16A2的改进型M16A3。
M16A3保留M16A2的基本特征不变，只是作少量的改进，其基本宗旨是大幅度地提高射击精度，并不打算采用任何高新技术，因此最初的打算是在三年内（1993年至1995年）内广泛装备M16A3。由此可见M16步枪本身并没太大改进的余地，主要的发展潜力在于采用新型的光学瞄准镜和夜视仪等瞄准系统。
当时M16A3的计划是在借鉴一种为M16A2开发的名为“SERFS”系统的护木（就和现在的KAC生产的RIS护木类似），在增设的M1913标准导轨上可选择地安装新型的瞄具。具体方案是：在M16上下左右各设一导轨，取消M16机匣上方的提把，上方的导轨从机匣上方延伸至枪管前端；前护木下的导轨上安装折叠式小握把，或安装M203榴弹发射器；其他的导轨可以激光瞄准器、光学瞄准具等。M16A3安装了铝合金制的“SERFS”系统后重量比M16A2减轻0.23kg。但因经费紧张，估计只能为每个步兵班配备3~4支M16A3。据传当时美国陆军军械、弹药和化学司令部已经与M16A2的生产商签订了2,710万美元的合同，对64,725支M16A2进行改进。
M16A2生产商FNMI的M16A3改进计划，被称为“FIRM-M16”（上）。同的改装也可以M4上实现，被称为“FIRM-M4”（下）。FIRM除了瞄准镜座导轨外，还有一个新的消焰器。由于美军不会装备MIRM-M16，所以FNMI只 能直接向使用者推销“FIRM”的配件。
到了1990年代中期，始终没有关于M16A3定型的报道。除了关于美军特种部队和快速反应部队大量装备M4卡宾枪外的报道外，通过各类新闻片断中看到在世界各地奔波的美军手上仍然是M16A2，或者是根本就没有必要花那么多的钱改装一支专门安装先进瞄准具的M16A3，只需要直接在M16A2上安装瞄准具就可以了。然后，到了1997年11月，美国陆军开始全面换装制式步枪，但接任的不是M16A3，而是M4系列卡宾枪。
再后来，一些被认为是传说中的M16A3和M16A4的实物图片出现了。M16A3的外形和1990年代初的设想相去甚远，它的改进仅仅是将固定的提把改为整合M1913导轨的平顶型机匣的结构（即和M4A1相同），其他方面完全保留了M16A2的特征，不过M16A3能全自动射击，和M16A1一样。而M16A4的改进则较大，除了把M16A3的护木改为KAC公司生产的RIS护木套件（和SOPMOD M4/M4 CQBW相同）外，还对发射机构作出了些改进以提高可靠性能。到2002年底，海军陆战队正式宣布采用M16A4。
继陆军全面装备M4/M4A1后，海军陆战队也宣布全面装备M4/M4A1，以代替原来使用的M16A2。在2002年下半年，经过一番辩论后，美国海军陆战队司令James Jones将军通过《海军陆战队时报》正式宣布，美国海军陆战队经过2年的测试和评比，最终决定放弃全面换装M4而装备M16A4，装备时间从年底开始。但海军陆战队也不打算全面装备M16A4，机械化部队仍然会以M4作为主要武器。
尽管M4/M4A1在步兵战斗的射程内已经有足够的精确，但海军陆战队还是决定选择射程更远的M16A4。为什么海军陆战队会走回头路，重新选择20英寸长的枪管呢？来自阿富汗的一些报道似乎说明了海军陆战队的选择：SS109/M885弹在阿富汗战场上表现出缺乏杀伤力，特别是在使用M4或C8卡宾枪发射时。SS109/M885要达到有效杀伤，命中目标时的弹头速度必须在732m/s以上，弹头以这个速度穿过一段距离后开始偏转，偏转时造成较大的创伤。而M4/M4A1的初速较低，创伤效果不理想，致使有些部队采用比较重的商业用比赛弹头，以提高终点弹道性能，更有些部队建议采用新的枪弹，在《美军在阿富汗的步兵装备使用调查报告节选》一文中就有提及到这一点。
M16A4是在M4A1卡宾枪之后大约一年推出，两者的工作原理相同、结构相似，许多部件通用。它是将枪械作为一个模块、火控系统作为一个模块来设计的。瞄具采用了许多的新技术，但枪械本身改进不多。机匣为平顶式，上端有M1913瞄准镜导轨。枪机和其他M16系列一样有特富龙润滑涂层，以提供可靠性。重型枪管上刻有适用的枪弹、膛线形成的数字。枪管护木内侧装有铝制的隔热屏。提把也可拆卸。固定式枪托后部可装擦拭工具。
M16系列在3发点射和连发上来回变化，M16A2由连发改为3发点射，M16A3又改成了连发，如今到M16A4又成了3发点射。M16A4上的单发/点射机构也是传统的技术。
M16A4改进最大的地方可能就是火控系统。由于技术和功能进步，如今瞄具已被火控系统这个名词所代替。在M16A4上，火控系统是作为一个模块来设计的，以便能根据技术发展的状况来不断改进。由于在传统技术上没有大的突破，现在都倾向于通过提高火控系统的能力来提高武器的性能。M16A4对这一模块的重视充分体现了这一点，这也是武器改进的一个重要途径。目前M16A4的光学瞄具包括AN/PEQ-5激光指示器、全息衍射镜（HDS）和AN/PVS-14夜视瞄准系统等。据说在M16A4的基础上，柯尔特公司已制成同时具有单发、点射、全自动射击三种射击方式的型号，可能会以M16A5的名称亮相。
