בטרם פיתח גאטלינג את המקלע שלו, עמדו לרשותם של צבאות שונים כלי נשק אחרים שהצטיינו בכוח אש משמעותי. כלי נשק אלה היו למעשה תותחים שירו כמה קליעים בו-זמנית, אם באמצעות תחמושת שהכילה מספר קליעים (בדומה לרובה ציד) ואם באמצעות כמה קנים שירו בעת ובעונה אחת. למרות מטח הכדורים שיצרו כלי נשק אלה, טעינתם מחדש בין פעולות הירי הצריכה זמן לא מבוטל שפגע ברצף האש ובקצב הירי. מנגנון הירי של המקלע שפיתח גאטלינג הופעל על ידי סיבוב ידית ארכובה בידי מפעיל אנושי, כך שמקלע זה לא היה מקלע אוטומטי אמיתי (בניגוד למקלע מקסים שפותח ב-1883) אך הביא לקפיצת מדרגה מבחינת השיפור באמינות המנגנון וברציפות האש.
גאטלינג התבסס על המצאה אחרת שלו, מתקן חקלאי לזריעה, כדי להתחיל ולפתח את מנגנון הירי של המקלע החדש. ב-1861 פותח דגם אבטיפוס שמיש של המקלע וב-1862 יסד גאטלינג חברה באינדיאנה ליצור ושיווק המקלע החדש והחל ביצור סדרתי שלו. גאטלינג התקשה למכור את המקלע החדש שפיתח לצבא ארצות הברית ורק ב-1866, לאחר שכבר מכר כמה מקלעים בודדים לגורמים שונים, נרכש המקלע באופן רשמי על ידי הצבא.
ב-1870 מכר גאטלינג את זכויות הפטנט של המקלע שפיתח לחברת קולט האמריקאית אך נשאר נשיאה של חברת הנשק שיסד עד ל-1897, אז נטמעה החברה בחברת קולט.
ב-1893 רשם גאטלינג פטנט על מנגנון שעשה שימוש במנוע חשמלי (שהיה בעצמו המצאה חדשה למדי באותה תקופה) בהנעת מנגנון הירי בתותח שהמציא ובכך החליף את שיטת ההנעה הקודמת, שעשתה שימוש בידית ארכובה. השימוש במנוע חשמלי איפשר קצב ירי גבוה בהרבה מזה שאיפשר השימוש בידית הארכובה, עד כדי 1500 כדורים לדקה.
ב-1911 הפסיק הצבא האמריקאי כליל את השימוש בתותח גאטלינג המופעל באמצעות ארכובת יד.
השימוש במקלע בזירות לחימה שונות.
ביבשת אמריקה.
מלחמת האזרחים האמריקאית הייתה העימות הצבאי הראשון שבו נעשה שימוש במקלע הגאטלינג. אף על פי שעל-פי גאטלינג עצמו היוותה מלחמה זו מקור ההשראה לפיתוח המקלע, הרי שחלפו כמה שנים מפיתוח המקלע ועד שצבא ארצות הברית (צבא האיחוד) החל לרכוש אותו באופן רשמי ב-1866. לפני כן נרכשו באופן פרטי כמויות מוגבלות של המקלעים על ידי מפקדים בכירים בצבא האמריקאי ונעשה בהם שימוש מוגבל: כתריסר מקלעים שימשו בעת המצור על פיטסבורג (1864–1865), שמונה מקלעים אחרים הותקנו על-גבי ספינות של צבא האיחוד וכמה מקלעים שימשו בדיכוי המהומות שפרצו בניו-יורק, עקב הנהגת גיוס החובה כחלק מהמאמץ המלחמתי של האיחוד (1863).
בתחילת שנות ה-80 של המאה ה-19 עשו חיל הים והצבא הפרואני שימוש במקלעי גאטלינג, בקרבות שהיו חלק ממלחמת האוקיינוס השקט.
ב-1885 שימש מקלע גאטלינג את הצבא הקנדי במאמציו לדכא מרידה שפרצה בצפון-מערבה של המדינה.
ב-1898, כחלק ממלחמת ארצות הברית–ספרד, עשה צבא ארצות הברית שימוש ביחידה עצמאית של ארבעה מקלעי גאטלינג, בעלי 10 קנים ובקוטר 0.3 אינץ', מתוצרת חברת קולט. המקלעים הורכבו על-גבי כנה שאפשרה להם צידוד ולכן היו יעילים במיוחד נגד המגנים הספרדיים. במהלך אחד הקרבות, כחלק ממערכה זו, ביצעו 3 מקלעים שכאלה ירי של 18,000 כדורים במהלך 8 דקות וחצי וגרמו לאבדות קשות ביותר בצד הספרדי. למרות יעילותו הרבה בזמן הירי, משקלו הרב של המקלע ומבנהו המגושם עמדו לו לרועץ והקשו על מפעיליו לעמוד בקצב התקדמות החיילים הרגליים על פני דרכים משובשות. חיסרון זה בא לידי ביטוי בעיקר בקרבות בקובה, שבה דרכי עפר היו לרוב לא יותר משביל משובש בג'ונגל. בשלב זה החל כבר הצבא האמריקאי לציד את חייליו במקלעים קלים יותר, שהוצבו על-גבי חצובות והיו קלים יותר לניוד, בצעד שבישר את תחילת מגמת הדחיקה של מקלע הגאטלינג משימוש בצבא ארצות הברית.
באסיה ובאפריקה.
באפריקה שימש מקלע הגאטלינג במסגרת המלחמות הקולוניאליות ביבשת, בעיקר כדי לאפשר לצבאות האירופאים להתמודד עם מתקפות המוניות של לוחמים מקומיים, שסבלו מנחיתות טכנולוגית אך נהנו מיתרון מספרי מכריע.
צבא האימפריה הרוסית רכש כ-400 מקלעי גאטלינג ונעשה בהם שימוש כנגד פרשים טורקמנים ועמי נוודים אחרים במרכז אסיה. הצי הרוסי עשה שימוש במקלעי גאטלינג במהלך הקרבות מול המצרים, באלכסנדריה ב-1882. כמו גם במלחמתם עם היפנים בשנת 1905.
במהלך 1879 עשה הצבא הבריטי את השימוש הראשון שלו במקלעי גאטלינג, כחלק ממלחמתו באפגניסטן.
מבנה המקלע.
מקלע הגאטלינג הוצב על עגלה דו-גלגלית והותקן על-גבי כנה שאפשרה צידוד והגבהה שלו. המקלע הוזן בכדורים מחלקו העליון, מתוך סל תחמושת בעל פתח בתחתיתו או מתוך מעיין "מחסנית", שהייתה למעשה קופסה צרה וגבוהה ללא קפיץ, שבה אוחסנו הכדורים אחד מעל השני. הכדורים אוחסנו בסל או ב"מחסנית" בתפזורת והזנתם לביתי הבליעה של קני הנשק נסמכה על כוח הכובד ולא על מנגנון מכני. זאת בניגוד למקובל כיום כשיטת אחסנת התחמושת והזנתה למקלעים, המתבססת על כדורים המחוברים אחד לשני בחוליות כשרשיר, והנטענים לבית הבליעה של הנשק באמצעות מנגנון מכני.
למקלע הגאטלינג היו בין 6 ל-10 קנים נפרדים, כתלות בדגם, שמוקמו סביב ציר סיבוב אחד. מאחורי "זר" קנים זה, ועל אותו ציר הסיבוב, הוצב גליל קצר בעל תאים שנועדו לקלוט את הכדור המוזן למקלע בטרם הבריח נע קדימה ודוחף אותו לתוך בית הבליעה של הקנה. מאחורי גליל זה, ועל אותו ציר הסיבוב, הוצב גליל נוסף בעל תאים שבהם נעו קדימה ואחורה הבריחים של כל קנה, בהתאם למחזור הירי. בכל בריח - נוקר ושן חולצת.
מבנה זה יצר מצב שבו לכל קנה היה מכלול ירי נפרד, כלומר, לכל קנה תא טעינה, בית בליעה, בריח ונוקר משלו.
המקלע הונע על ידי סיבוב ידני של ידית ארכובה בדגמים המוקדמים ועל ידי מנוע חשמלי בדגמים מאוחרים יותר. סיבוב הידית הביא לסיבוב "זר" הקנים והמנגנון כולו, סביב הציר המרכזי. מחזור הטעינה-ירי-פליטה-קירור של כל קנה החל בכך שהקנה ותא קליטת החימוש שלו ניצבו מתחת לפתח שב"סל" התחמושת או ה"מחסנית", כשהבריח שלו משוך לאחור.
הודות לכוח המשיכה נפל כדור אחד מסל החימוש או מה"מחסנית", לתוך תא קליטת החימוש.
המשך סיבוב ידית הארכובה הביאה להמשך סיבוב המנגנון כולו ולכך שהבריח נע קדימה ודחף את הכדור מתוך תא קליטת החימוש לתוך בית הבליעה של הקנה שלו וננעל לבית הבליעה.
המשך סיבוב הידית הביא לכך שהכדור ננקר והקליע נורה מלוע הקנה.
המשך סיבוב הידית הביא לתנועה אחורה של הבריח ועקב כך לחליצה של התרמיל הריק מבית הבליעה והשלכתו מפתח הפליטה.
בשלב זה הקנה התקרר מעט והמשך סיבוב הידית הביאו כך שתא קליטת החימוש שלו ניצב שוב גלוי מתחת לסל החימוש, מוכן לקלוט כדור נוסף ולהתחיל את מחזור הירי מחדש.
המבנה שבו לכל קנה ישנו מנגנון נפרד יצר מצב שבו בכל רגע נתון כל קנה נמצא בנקודה שונה במחזור הטעינה-ירי-פליטה-קירור וכך התאפשר ירי רציף, בקצב מהיר. כל קנה ירה רק פעם אחת במהלך סיבוב אחד מלא של המנגנון, כך שלמרות הירי המהיר והרציף התאפשר לכל קנה די זמן להתקרר בין ירי אחד למשנהו. הגדלת מספר הקנים בין הדגמים השונים העלתה מצד אחד את משקל הנשק וסיבוכיות המקלע, אך מצד שני הגדילה את פרק הזמן בין היריות של כל קנה ובכך הגדילה במעט את זמן הקירור של כל קנה ומכאן איפשרה קצב אש מהיר יותר.
בדגמים מוקדמים של המקלע הונח בד בין הקנים שאפשר היה להספיגו במים, כדי להאיץ את קירור הקנים במהלך סבב הירי, כך שניתן יהיה לבצע ירי מהיר מבלי שהחום הרב הנוצר יעוות את הקנים.
עם זאת, דגמים מאוחרים יותר יוצרו ללא הבד בין הקנים. הסיבה לכך היא שאף על פי שעל-פניו נראה כי השיטה אכן מזרזת את קירור הקנה הרי שבפועל לאחר הרטבת הבד ותחילת הירי, החום הרב שנוצר בקנים הביא להתאדות המים בבד שעטף את 'זר' הקנים וליבושו. כך נוצר מצב שבו קני המקלע עטופים במעיין 'שמיכת בד', כך שהם מתקשים לפלוט את החום הנוצר בהם לאוויר ואינם מתקררים מספיק בין מחזור ירי אחד למשנהו. ניסיון להרטיב מחדש את הבד בשלב זה הביא לקירור פתאומי ובלתי אחיד של הקנה, מה שבתורו עלול לגרום לעיוות של הקנה. עיוות שכזה עלול לפגוע בדיוק הירי של המקלע או אף להשביתו כליל.
תחמושת.
בתחילת דרכו, תחמושת מקלע הגאטלינג הייתה גלילי מתכת קטנים שהכילו קליע, תחמיש נייר שהכיל אבק שרפה ופיקה. גלילי המתכת נטענו, כל אחד בנפרד, לתוך בתי הבליעה של הקנים ולאחר הירי נפלטו מתחתית המקלע וניתן היה לעשות בהם שימוש חוזר. השימוש בגלילי המתכת נועד לפתור את בעיית חוסר האחידות והדיוק בכדורים שיוצרו עד אז. גלילי המתכת יצרו אחידות מספיקה בחימוש, שאיפשרה להפעיל את מנגנון הירי המורכב בקצב גבוה.
בהמשך, עקב התקדמות בשיטות ייצור המוני של תחמושת, שהניבה תחמושת אחידה ובממדים מדויקים יותר, עבר מקלע גאטלינג להשתמש בתחמושת אחידה בתצורת כדור מיצור סדרתי. המעבר לשימוש בתחמושת מיצור סדרתי הייתה שלב חשוב ב"הבשלת" מערכת נשק זו והפיכתה למקלע רלוונטי לשדה הקרב.
מקלעי הגאטלינג שיוצרו ב-1876 כבר הגיעו לקצב אש מהיר באופן משמעותי, עד כדי קצב אש תאורטי של 1200 כדורים בדקה ולקצב אש מעשי של בערך 400 כדורים בדקה.
דגם של מקלע גאטלינג שפותח ב-1881 עשה שימוש במערכת הזנת תחמושת בקוטר 0.45 אינץ' חדשה. מערכת הזנה חדשה זו איפשרה הצבת שתי "מחסניות" על המקלע, כך שהמקלע ניזון ממחסנית אחת וכאשר אוזלת בה התחמושת הוא עובר להזנה מהמחסנית השנייה, ובכך מאפשר החלפת המחסנית הראשונה שהתרוקנה במחסנית תחמושת מלאה וחוזר חלילה, מבלי שיהיה צורך להפסיק את הירי. המערכת הכפולה איפשרה בפועל ירי רציף לפרקי זמן ארוכים יותר והצריכה 4 אנשים כדי להפעיל את המקלע.