M16突擊步槍
M16槍系是一系列突擊步槍（，），發射北約標準的5.56毫米口徑彈藥。M16是1967年以來美國陸軍使用的步兵輕武器主力，亦被至少15個北約國家所採用，更是同口徑槍械中產量最多的一個型號。美國軍方給由阿瑪萊特AR-15發展而來的軍械編號。
美國5.56公釐口徑M16槍系的研製是始於美國陸軍的作戰研究辦公室（Operations Research Office，簡稱ORO）一項研究，ORO於1948年9月在約翰斯·霍浦金斯大學成立，是陸軍資助的一個民間研究機構，其目的是進行提高軍事作戰能力的相關研究，當時在英國也有類似的作戰研究組織。ORO的第一個研究項目是「怎樣設計出防護性能更好的戰鬥防彈衣」，簡稱ALCLAD計畫。為此ORO調查超過300萬個在第一、二次世界大戰中傷亡報告，又向參加過朝鮮戰爭的士兵進行訪問。在調查中他們發現，第一次世界大戰的神槍手經常在1200米距離上射擊，但大多數被射殺的人都在100公尺範圍內中彈的；而參加過朝鮮戰爭，第602步兵團接受訪問的士兵中有大約87%的士兵表示：受地形及其他環境因素的制約，他們的射擊目標距離有95%是在270公尺以內，許多士兵更說他們所射殺的敵人都在100公尺以內。 在往後幾年裡他們發表一系列關於他們調查結果的報告，他們的基本結論是戰鬥絕大多數在近距離發生。在高機動性的戰爭中，作戰分隊的戰鬥形式以遭遇戰為主，而有較強火力的作戰分隊容易贏得戰鬥。他們也發現在戰鬥中被命中的機會是隨機的，也就是說，因為「目標」不是坐著不動讓你打，不經過瞄準的反應式射擊和經過正確瞄準的射擊同樣可以將敵人擊傷或殺死，命中率沒有太大的差別，而要造成一個人員的傷亡需要發射大量的子彈。這些結論實際上是暗示步兵們應該裝備一種全自動步槍，以增加射速。然而它也清楚表明必須增加彈藥的消耗，一個步槍手必須為一次戰鬥而攜帶大量的彈藥，因此他們必須攜帶的裝備應當減輕重量。ORO認為.22口徑步槍發射能控制散布形式的成群射彈在300公尺射程內有相當理想的效果。值得注意的是，這項研究是在美國陸軍軍械署人員和英國軍械人員為.28和.30口徑子彈的優劣吵得不可開交時秘密進行的，ORO的研究結果實際上跟德國人10年前研製7.92mm×33短彈（中間型威力槍彈）的原理相同。 當時研製的T44步槍（M14前身）能夠全自動射擊，一定程度上符合ORO的研究結論，但它的彈藥太重導致單兵攜行量不能提高，槍的長度和重量也使它不適合近距離戰鬥。負責輕武器研究和發展的美國陸軍軍械署長官瑞納·斯塔德勒（René Studler）注意到ORO的報告，於是他向亞伯丁試驗場要求提供一份關於小口徑武器的研究報告。
唐納德·霍爾（Donald Hall）在這個研究計畫中發現一種.22英吋（5.59mm）槍彈在大多數戰鬥情形中與較大的彈頭有相同的表現。而且由於後座力較低可以提供較高的射速，這樣的武器可能會使敵人有較多的傷亡。在他的研究小組成員中的威廉·C·戴維斯二世（William C. Davis Jr.）和G.A.格斯塔森（G.A. Gustafson）開始研製.224英吋（5.69mm）槍彈並進行一系列的實驗，但當他們要求提供資金作進一步的研製時，這個請求在1955年被否決。
同時，美國陸軍軍械署於1953年至1957年之間實施一項名為「齊射計畫」（）。「齊射」計畫共分為兩個階段，在第一階段的「齊射」中最後建議武器連發射擊時4發子彈散布在20英吋（0.5m）範圍內將比現存的半自動武器成倍地增加命中率。而在第二階段的「齊射2」中試驗一些概念性的武器，如AAI的艾爾文·巴爾（Irwin R. Barr）推出的一系列飛鏢彈（箭彈），開始時是在霰彈槍的彈殼內包含32枚飛鏢彈（箭彈），最後改為單發飛鏢彈（箭彈）的步槍彈。溫徹斯特公司和春田兵工廠則提供多種武器，而ORO自己設計兩種新槍彈，一種是把.22彈頭裝入一個.308溫徹斯特彈殼內，另一種是把.25或.27彈頭裝入一個.30-06彈殼內。還有其他一些創新的設計，例如同時射出兩個彈頭的雙頭彈，春田兵工廠的埃利·哈維（Earle Harvey）所設計的通過改變彈頭形狀而使彈道發生變化的設計等等。在這同時，T44的測試仍在繼續，而FN公司也經由美國的哈林頓-理查森武器公司（Harrington & Richardson）代理他們的FAL，提供T48樣槍參與T44的競爭。最後的結果大家都知道，美國人選擇T44作為新的制式步槍M14，而在這之前，尤金·斯通納帶著他的步槍半路中途殺入這個新步槍選型的競爭計畫。
尤金·斯通納（Eugene Stoner，1922-1997），第二次世界大戰結束後他從海軍陸戰隊退役便開始設計步槍。1955年（另一些資料是1954年，可能是開始研製的時間），在阿瑪萊特（Armalite）（母公司是費爾柴德發動機和飛機製造公司（Fairchild Engine and Airplane Corporation）工作的斯通納研製AR-10自動步槍，AR-10採用瑞典AG42楊曼（Ljungman）步槍的氣體直接傳動系統（Direct impingement，也稱為氣吹式或-{zh:直接導氣式;zh-hans:直噴式瓦斯操作式;zh-hant:直接導氣式;}-）原理，發射與春田T44步槍相同的T65步槍彈（7.62×51mm北約標準彈）。AR-10的設計無論是材料、內部結構還是外形設計在當時看來是相當前衛的，相比之下，T44無論在結構上外形上還是材料上都顯得比較傳統。AR-10的槍管是複合材料，裡面是拉有膛線的不鏽鋼內襯管，外面是鋁合金套管。機匣由鋁合金而不是鋼鑄造而成。槍托和握把是用玻璃縴維增強塑料，甚至消焰器（防火帽）是用鈦製造的，只有槍機總成（bolt assembly ）是採用鍍鉻鋼製件。射擊時，火藥燃氣通過槍管上方的導氣管直接進入槍機總成中，槍機總成本身就相當於導氣活塞。在當時的傳統設計中，通常是讓瞄準具貼近槍管，為此而採用下彎造型的槍托，由於抵肩點低於槍膛軸線，因此射擊時容易導致槍口上跳。而AR-10借用德國FG42傘兵步槍和美國M1941約翰遜輕機槍的直槍托設計，使抵肩點處在槍膛軸線上，準星用一個三角形結構抬高，而照門則安裝在一個提把上，因此使瞄準基線升高在一個合理的位置，抵肩瞄準時非常舒適。同時槍機拉柄(Charging Handle，亦稱拉機柄)也設計在提把內，左右手均能操作。 AR-10空槍重僅3.4公斤，比它的競爭者輕超過2磅（約900g），此外它在座控制方面也比其他兩個競爭者要好。然而，它出場得太晚，在1956年才加入美國陸軍的選型試驗，當時T44E4和T48步槍已經進入最後的測試階段。而且前衛並不一定總是好的，在1957年，AR-10在試驗中因槍管過熱導致槍口裝置鬆動，連續撞擊鋼襯管而嚴重開裂，於是被取消資格。而且這種複合管也被認為是製造復雜、成本高而不被看好。斯通納的設計在當時來說是太急進，然而AR-10的出現為後來小口徑步槍的高速發展提供基礎。AR-10引起美國陸軍威萊德·維曼（Willard G. Wyman）將軍的注意，他要求斯通納和阿瑪萊特公司設計高初速的.22口徑步槍。
當「齊射」計畫在1957年作出總結，一個仿照G.A.格斯塔森（G.A. Gustafson）在1955年因沒有資金籌備而中止的研究被重新提出來，於是美國大陸軍司令部（U.S. Continental Army Command，簡稱CONARC，現美國陸軍部隊司令部）的司令官威萊德·維曼（Willard G. Wyman）將軍立刻要求生產廠商組織研究小組來試制.22口徑（5.6mm）步槍。設計要求符合下列各項，不過最後一項要求說明美國陸軍對ORO的研究結果並沒有充分的理解：
當看到AR-10時，威萊德·維曼親自暗示阿瑪萊特應該嘗試設計這樣的武器。根據這些要求，阿瑪萊特公司由尤金·斯通納（主設計師）、羅勃特·佛利蒙（Robert Fremont，監督原型槍的生產）和L·詹姆士·沙利文（L. James Sullivan，監督方案起草工作）領導的設計小組開始研製新的.22口徑步槍。他們的第一個設計卻是使用傳統布局和木制槍身（也許是AR-10在試驗中的失敗使他們對這種新穎設計心有顧慮），但試驗中發現太輕，而且傳統的槍托設計也導致連發時後座力不易控制，甚至用較輕的槍彈也是一樣。於是他們的第二個設計決定把AR-10按比例縮小成口徑為.222的自動步槍，試驗馬上就成功，新槍被命名為AR-15，設計組只用6個月時間就提交6支樣槍由阿伯丁試驗場評審。
同時溫徹斯特（Winchester Repeating Arms）也加入.22口徑步槍的競爭計畫，他們採用基於M1卡賓槍的設計，提供一種.224 口徑的輕型軍用步槍樣槍（Light Weight Military Rifle，簡稱LMR）。而春田兵工廠的埃利·哈維也基於T44步槍研製另一種.224 口徑（兩種.224口徑完全不通用）的輕型步槍樣槍，但春田兵工廠管理高層拒絕從T44計畫中分一些資源出來參與這項「前途不明朗」的競爭計畫，所以春田兵工廠並沒有在小口徑步槍上投入資源。
在試驗中，為符合最後一項500公尺穿透力的要求，斯通納又要求雷明頓公司（Remington Arms Company）改進他們的的55格令.222雷明登步槍彈（初速3300英尺/秒，約1006公尺/秒），而研製出來的新型彈藥就是著名的.223雷明頓步槍彈。除口徑外，AR-15的槍管改為全鋼製簡單結構槍管，並採用短棒狀防火帽，原本位於提把內的鈎型拉機柄改成提把後方的Ｔ型拉機柄，其他方面則與AR-10基本一樣。斯通納的新步槍AR-15其實是把許多其他步槍的設計思想和特點集合起來，包括：另外由於較輕的新型彈藥允許步槍採用鋁合金和塑料等輕型材料，尺寸更小，即使換成全鋼槍管後仍然是比溫徹斯特LMR輕了1磅（約450公克），AR-15空槍重只有6.35磅（2.89公斤），滿載後重約3.5公斤。到最後，阿瑪萊特的AR-15沒有真正的競爭者。但是斯通納也犯了一些錯誤，他認為沒有必要給槍膛鍍鉻，而且當時阿瑪萊特公司也沒有給槍膛鍍鉻的工藝能力，但軍方在第二次世界大戰期間的研究表明，槍膛鍍鉻對自動武器來說是大有好處，因此軍隊宣布從M14步槍開始，以後生產的步槍都應鍍鉻（chrome plated）。
另一個問題是，研製時間太短。也許是迫於M14自動步槍成功的壓力，小口徑步槍計畫的推動者希望早上播種晚上就能收割。所以當AR-15推出的9個月後即1958年3月31日開始進行軍方試驗時，其實AR-15的完整的研製過程還沒有完成，而且由始至終軍方的軍械工程人員和阿瑪萊特公司設計師沒有面對面工作、溝通交流。
從1958到1959年，陸軍在本寧堡、奧德堡和阿伯汀試驗場等地將AR-15與M14進行對比試驗。通過這些試驗，表明AR-15重量輕、易操控、易於分解結合，而且步兵部門報告說AR-15會是M14步槍的一個合適替代品。但在稍後的測試中暴露一些問題，如槍口焰大、精度不好、穿透力（penetrating power ，亦稱貫穿力、侵徹力，彈頭鑽入或穿透物體的能力）差、使用30發彈匣時故障率高，而且當雨水進入AR-15的槍管中時發射會導致膛炸。雨水導致膛炸的問題也發生在溫徹斯特的樣槍上，所以雖然斯通納重新設計並加強槍管，陸軍軍械工程人員說問題仍然存在，這是.22口徑槍管可以預期的問題，因此陸軍再次要求發射較大的彈藥，這次提出的是.258（6.55mm），不過他們又暗示將在阿拉斯加州繼續進行極地環境可靠性試驗。然後斯通納又聽說AR-15在極地試驗測試中發生大問題，當斯通納帶上一些替換部件飛到阿拉斯加時，發現問題出在陸軍測試人員身上，他們把步槍分解後沒有正確地重新組裝，斯通納認為這是操作不當所致，要求重新測試。此後，軍方就開始阻礙斯通納對AR-15的改進，藉詞用軍火部門說如果AR-15改造來發射新的.258口徑彈藥可能更合適，認為這是最佳的彈藥選擇。總之，美國陸軍對AR-15失去興趣，而且AR-15還需要繼續研製工作。在閱讀這些報告後，參謀長麥克斯韋·泰勒（Maxwell Taylor）將軍也不支持AR-15而建議繼續生產M14。
但不是所有的報告都是持否定態度的。正在試驗的AR-15、M14和AK-47的一系列模擬實戰情形中，軍方發現AR-15尺寸小和重量輕，使用起來更靈活，反應更快，他們的結論是裝備AR-15的8人小隊的火力等同於現在裝備M14的11人小隊。此外他們也發現AR-15比M14更可靠，在數千發子彈的射擊試驗中有較少的停射和卡殼現象。
但是，到此時阿瑪萊特已經在AR-15上投資約1.45百萬美元的研發費用，而且似乎還看不到盡頭。於是，阿瑪萊特決定停止對AR-15的研究，而阿瑪萊特為償還債務也在1959年12月把AR-15的設計、生產與銷售權以現金75,000美元和日後4.5%的銷售提成賣給（Colt's Patent Firearms Manufacturing Company）。1960年，阿瑪萊特公司進行改組，斯通納在這次改組期間離開阿瑪萊特。
柯爾特製造公司|進一步完善AR-15的設計，作為柯爾特最初的AR-15的型號分別是601型和602型（），這兩個型號基本上只是最初阿瑪萊特步槍的複製品（事實上這些早期的型號經常被發現印著柯爾特/阿瑪萊特AR-15）。這兩個型號的機匣右側彈匣座位置還是「平面」造型，還沒有603型開始出現的凸起「圍欄」。而601型和602型在外觀上主要的區別是消焰器（防火帽）不一樣，601型是三分叉式消焰器，俗稱「鴨嘴式」（Duckbill），602型的三分叉式消焰器，外廓是錐台形，與601型不同。至於還有一處在外觀上看不出的主要的區別，就是601型的膛線纏距（travel length） 為1:14英吋，而602型改為1:12英吋。這兩個型號中的大多數都是用綠色或棕色槍身。
當時已經有一些外國軍隊看中這種革命性的新步槍。AR-15最早的買家之一是英國陸軍，他們採構一批供SAS在婆羅洲使用，諷刺的是，SAS的對手印尼軍隊也是AR-15最早的用戶之一。
柯爾特把公司未來命運的賭注押在AR-15身上，這光靠小批量的出口是絕對不夠的，因此柯爾特決定向軍方高層發起一次大膽的攻勢。首先，柯爾特開始攻擊M14步槍，然後柯爾特試圖影響國防部的其他高層官員。第一個被說服的高官就是當時的空軍副參謀長 柯蒂斯·李梅（Curtis LeMay）將軍。在1960年6月4日，美國空軍在德克薩斯州的一個空軍基地試驗AR-15，事後李梅將軍立即決定採購8,500支AR-15步槍（以601型為主，602型也有被少量購買）以代替戰略空軍司令部的崗哨所裝備的M2卡賓槍，此舉令AR-15避免夭折。柯爾特用同樣的方法去影響美國國防部高級研究計畫局（Advanced Research Projects Agency，簡稱ARPA）。ARPA也認為AR-15很適合實戰使用，於是在1961年8月，越南軍援咨詢小組要求購買1,000支AR-15讓南越軍隊進行全面的實戰測試，被當時的國防部長所批准。在1962年初夏這項採構計畫得已實施，在實戰測試期間，為南越軍擔任顧問的美國軍事顧問提交有關AR-15在實戰中表現報告：
這些報告顯示AR-15更適合身材矮小的南越政府軍士兵使用，而正在協助南越軍隊的美國特種部隊也強烈立即採用AR-15。不久，國防部正式指示在實戰條件下試驗AR-15，試驗表明AR-15在性能上優於其他武器。而美國陸軍在1962年、1963年兩次復試AR-15，兩次否定AR-15，理由是遠距離上精度差、易損壞。但在空軍與越南軍援咨詢小組的努力下，國防部決定對AR-15和現役的M14進行一次成本效益比評估（，亦稱效費比、費效比）。ARPA的報告指出：通過對AR-15和M14的效費比評估表明，如果裝備一定數量的AR-15會使美國步兵擁有裝備AK-47的蘇聯步兵所相抗衡的火力，而且價格更低廉。
現在擺在國防部長勞勃·麥納馬拉（Robert McNamara）面前有兩個矛盾的觀點：ARPA的報告和空軍方面支持AR-15，而五角大樓的立場和陸軍方面的觀點卻支持M14。最後連約翰·甘迺迪總統也表示關注，因此勞勃·麥納馬拉命令陸軍部長賽勒斯·萬斯（Cyrus Vance）對M14、AR-15和AK-47進行對比試驗。陸軍的試驗報告再次確定只有M14才適合軍隊的需要，但萬斯懷疑這些測試方式有欠公正，於是命令陸軍監察長調查這些測試所用的方法。監察長的綜合報告指出陸軍的測試人員明顯地偏坦M14。柯爾特公司開始利用這個有利事件，他們利用民間媒體譴責軍方測試人員過分地夸大M14的優點，柯爾特指出與同類步槍相比AR-15並不需要太多的維護，事實上當後來國防部開始採構M16的時候也的確沒有得到相應的維護裝備。
總之，試驗記錄證明AR-15的確勝過M14，柯爾特也在政治上獲得強勢支持，美軍駐越南總司令威廉·魏摩蘭也多次提出裝備的請求，勞勃·麥納馬拉在1963年1月23日命令停產M14。此時，空軍已經將在越南使用經過改進的AR-15（柯爾特公司稱為）命名為XM16。在1963年11月4日，柯爾特公司獲得一份生產104,000支XM16的合約，其中85,000支提供陸軍特種部隊與空中機動戰術部隊試用，另外19,000支供空軍空降特種部隊使用。
同時，陸軍高層及研究部門正如火如荼地開展另外一項計畫「特種用途單兵武器（SPIW）」（Special Purpose Individual Weapon），作為未來的通用步兵武器。其實主要的目的就是變著法子抵制AR-15。他們高度推荐立即採用這種武器，並表示這種武器就像M16一樣也是採用小口徑高速彈的原理。因此，陸軍的裝備部門根本沒有精力對AR-15進行試驗和評估。1963年未，空軍正式地接受他們的第一批XM16，當時已經有人非正式地稱呼這種槍為M16。
在過去，美軍裝備新型步槍總是要經過反復多次、極為慎重的試驗與評估，而M16在試驗與評估都不夠充分的情況下便裝備部隊，這就使它先天不足，以致以後屢遭彈劾。對於M1加蘭德步槍來說，M14確是一個好的替代品，但對M1卡賓槍來說，M14卻不是一個合適的替代品。在裝備M14的時候，美軍想方設法地要加強他們的火力以應對越共使用的AK47，他們使用可以找得到的任何武器，包括大量二戰時的湯普森衝鋒槍、M3衝鋒槍等。因此，在越南戰場上的美軍迫切地需要一種新步槍取代M14步槍。現在一件小巧輕便的全自動步槍就擺在眼前，於是立即像救命稻草一樣被參戰美軍抓住，大批M16就在未完成充分試驗的情況下急匆匆地趕赴越南戰場救火。
M16的上下機匣都是由鋁合金製成，槍管、「槍機總成」（bolt assembly）是鋼製，護木、手槍式握把以及槍托則為塑料製品。早期的型號特別輕巧，只有2.9公斤（6.4磅）。由此可見，它比起1950~60年代的7.62毫米戰鬥步槍都要輕。即使與裝滿彈藥後重約5公斤的AK相比之下也還是很占優勢。M16A2和之後的改良型重量有所增加（裝滿彈藥時重8.5磅或3.9公斤），因為它們採用加厚的槍管。對於因操作不當引起的損害，厚槍管更加耐用，而且它也減緩連續射擊時的過熱，適合持續射擊。有別於從頭到尾都很厚的傳統精確射擊用槍管，M16A2的槍管只有護木之前的部分比較厚。護木下的槍管部分和M16A1相同，以兼容M203榴彈發射器。M16全槍長40英吋（1.02公尺），當中其標準槍管長20英吋（508毫米）。彈匣卡榫在步槍的右側，位於扳機護環的前方。
M16是一款輕巧的5.56毫米口徑突擊步槍，它採用-{zh:直接導氣式;zh-hans:直噴式瓦斯操作式;zh-hant:直接導氣式;}-原理，由高壓氣體通過導氣管（Gas tube）直接推動槍機上膛，以彈匣供彈，全槍由槍管用鋼材，鋁合金以及複合塑料製成。M16是可選射擊模式槍械，射擊模式可透過位於下機匣左側的射擊選擇桿（Selector，俗稱「快慢機」）切換。
掌管擊發與槍機運行的上機匣是槍身上半段，主要部件是槍機（Bolt）、槍機座（Bolt Carrier）、拋殼口（Extraction Port）與槍機拉柄（Charging Handle），功用是掌管槍枝的擊發與槍機行進閉鎖，槍機後退時抓入新的子彈送入槍膛，槍機閉鎖後再由撞針點燃底火，完成擊發的動作。擊發後槍機再次後退，抽出彈殼，由拋殼口彈出。要讓第一發子彈上膛，拉動槍機拉柄手動使槍機後退，擊發之後傳動系統便會接手，直到下一個彈匣或者卡彈才需要再自己操作槍機。拋殼口的位置上有防塵蓋（Dust Cover），用來阻擋灰塵進入，槍機後退時就會打開。M16A1，用的是直接氣體傳動系統（Direct Impingment），配合槍管上方的導氣管（Gas Tube）連接到槍機座氣室來推動槍機。槍機復進助推器用於將未到定位的槍機強制上膛。
槍管末後端接上機匣（也稱做槍機容納部，槍機框）內的部分，稱之為槍膛（Chamber）也叫做藥室或後膛（Breech），是容納上膛子彈與加速子彈的地方。槍機勾出待發的彈藥後，就會被推入槍槍膛，槍機勾彈與撞針進行擊發，藉由槍管內側的膛線（Rifling）和子彈咬合，被火藥氣體推動的子彈就會因此順著膛線旋轉，離開槍口後繼續自行旋轉，能將動能保留更久，穿透力也會提高。此外自旋也讓子彈的行進路線可以預測。
M16槍機總成（Bolt assembly ）由槍機凸耳（Bolt Lug）、槍機（Bolt）上、凸輪銷（Cam Pin）、撞針（Firing Pin）、插銷（PIN ，用於固定Bolt）、槍機座(Bolt Carrier)六個可活動部件組成。
M16 槍機總成（Bolt assembly 或稱Bolt Carrier 槍機座），上方長管狀是槍機氣室（作用類似容納活塞運動的氣體缸管），槍機氣室底下有塊方頭插銷叫「Cam Pin」（凸輪銷），凸輪銷有孔讓撞針通過，另在槍機管圓孔中插銷是固定撞針用，槍機頭（Bolt head）周圍類似齒輪物是「Bolt lug 」（槍機凸耳，可譯成槍機頭鎖耳），有8個，其中一個兼具退殼勾（extractor）作用，內凹中心是撞針孔，下方圓柱是退殼挺（ejector）]]。 膛室閉鎖靠「槍機凸耳」旋轉完成密封，是AR槍系獨有特徵， 過程中槍機座(Bolt Carrier)本體不「滾轉」，只有槍機凸耳（Bolt lug）旋轉，槍機不旋轉。不能稱為Rotating bolt ，毛瑟步槍、M14步槍、AK系步槍是旋轉式槍機（Rotating bolt ），英語相關著作多認為運作方式類似Rotating bolt 。可參考HK MR762A1 LRP的使用者手冊23頁到25頁內容有槍機分解圖，該型槍使用和AR相同「Bolt Carrier」（槍機座）。
護木（護手）會覆蓋上機匣前面、準星後面這一段槍管。護手顧名思義，就是包住槍管讓手能夠握持的部件，槍管溫度很快就會隨著射擊活動飆高，所以需要一個隔熱墊才能讓手握持，裡面還會有另一層隔熱墊，用來進一步阻絕槍管散發的熱氣傳到射手手上。護手除隔熱以外還有一個功用就是散熱，過熱的槍管會使槍膛內的子彈熾發也就是彈藥被過熱的槍膛給提前引爆。M16槍系步槍護木可以輕易拆除，M16A4護木邊緣有鋸齒狀物體叫做戰術滑軌（Rails），正式名稱是M1913（Picatiny）皮卡汀尼導軌（Picatiny是一種軍事標準）。戰術滑軌的用途是安裝配件，有對應安裝座的配件如瞄準鏡或前握把，只要使用螺絲固定就可以鎖在滑軌上使用，側邊滑軌還裝保護軌道本體的軌道護片（Rail Panel）。
機械瞄具包含準星（Iron Sight）照門/覘孔（Rear Sight），機械瞄具有型式之分，最主要的差異便在於「Rear Sight」，在中文裡依外型的不同分為覘孔（Aperture）與照門（Notch）。一般而言，覘孔是現今多數步槍的設計主流，歐美步槍一直都是用覘孔。覘孔所想定的射程會反映在它的孔洞大小上，近戰用的覘孔直徑會較大（M16A2是翻轉式覘孔 ，改為5公釐，標示0-2），而遠距離射擊的覘孔直徑就會較小（M16A2 為1.8公釐），因為孔越小越能精確瞄準，但卻有讓瞄準速度變慢、視野太小的問題。攜行提把除機械瞄具，還有圓孔供固定瞄準鏡。
槍口裝置是最廣為人知的一種槍口裝置；消音器（Silencer 減音器）。由於一般槍械（手槍、毛瑟手動槍機步槍）無槍口裝置射擊時，槍口（Muzzle）會噴出較大的火燄，會暴露射手位置也會影響瞄準。步槍用的槍口裝置基本上有兩種：防火帽、制退器（Flash Hider、Muzzle Brake）與消音器（Sound Suppressor、Silencer）。防火帽是最常被使用的槍口裝置，防火帽顧名思義，就是藉由將槍口火燄分流的方式，來降低槍口燄的亮度與大小也被稱為「消焰器」。柯爾特突擊型，M16槍系列很多都採用鳥籠式防火帽。而另一種類似的東西就是制退器，制退器設計的重點便是後座力的應對，藉由氣體排出方向的控制，產生與後座力方向相反的力道來互相抵消。防火與制退這兩個功能常是合併在一起的，另外防火帽或制退器還有一個功能，就是降低槍聲，但是降低音量的效果仍然遠不及消音器（使用消音器後就能不戴耳塞或抗噪耳機直接射擊）。XM-177E1的大型防火帽有減音與消燄的雙重功能，但不到消音器的水準，有人稱之為調節器（Moderator）。
上、下機匣前後各用一根插銷（pin）結合，就是一把步槍。下機匣掌管彈藥供應、射擊模式與操作，藉由調整其中的射擊選擇桿（Selector，俗稱「快慢機」） ，就能決定武器要以半自動（SEMI）或是全自動（AUTO）模式射擊，而扳機組（Trigger Group）也能鎖住扳機，做為步槍的保險。另外還有彈匣（Magazine）與彈匣插口（Magazine Well），與釋放彈匣的彈匣卡榫（Magazine Release）。M16槍系扳機前方上面的按鈕就是彈匣卡榫，前面是彈匣插口，而以M-16為首的美系槍械，多具備能在彈盡時固定槍機的（無彈後定）功能，上彈匣後輕輕一拍即可上膛的槍機卡榫（Bolt Catch），因其外形而被人暱稱為小球拍。 下機匣還有個緩衝器功能，M16槍系的復進簧管在槍機後面，為的是加長緩衝的距離，因此需要佔用槍托的空間才能容納後退的槍機與復進簧管。也因此沒有經過特殊改造的M16槍系無法使用折疊槍托只能用伸縮槍托。
當前的制式軍用彈匣子彈容量為30發，而越戰的時候只有20發（30發的彈匣直到戰爭後期才開始研製和生產）。AR-15及M16的彈匣後來成為北約STANAG彈匣制式彈匣，這種規格彈匣也是多款突擊步槍及民用半自動步槍彈匣。另外，配件市場上推出雙彈匣並聯器，但是美國軍方不鼓勵使用，因為有可能增加彈匣頂部受損或者弄髒的機會。 M16利用-{zh:直接導氣式;zh-hans:直噴式瓦斯操作式;zh-hant:直接導氣式;}-原理，從導氣孔進入的高壓氣體進入通過導氣管進入槍機氣室，直接推動槍機進行自由行程，這種結構使射擊精度較高，而且減少獨立的活塞和活塞筒，缺點是容易變得骯髒。因此，M16相比起採用導氣活塞原理的槍械更需要經常清潔和潤滑來保障操作的可靠性。
M16一個明顯具備人體工程學的特徵是在槍機正後方以塑料製成的槍托，槍托內有一個鋁製管狀緩衝器（復進簧管，通常稱叫緩衝管，M16槍系只使用伸縮式槍托不能用折疊式槍托原因在此），它同時起到容納復進彈簧（recoil spring）和後座力緩衝的作用。槍管與槍托成一直線，使抵肩點處在槍膛軸線上能夠減少槍口上跳，特別是在全自動射擊模式的時候。由於後座力不會使準星發生明顯的偏移，使用者的疲乏程度會減輕。另一個符合人體工程學的設計是位於消焰器上方，以及攜行提把之上的機械瞄準具。M16A4則具有一個「平頂式」的機匣，以及皮卡汀尼導軌。用戶可以在導軌上安裝傳統的攜行提把，瞄準系統，或者各種光學設備，例如夜視儀。在1964年2月8日，美國空軍把XM16正式命名為「美國5.56mm口徑M16步槍」（United States Rifle, Caliber 5.56mm, M16）。由於AR-15的拉機柄只有拉動槍機功能，不能助推，而槍機比較輕，慣性小，一旦因為某種原因使槍機不能復進到位，槍機就無法閉鎖，出於對這個問題的擔憂，陸軍採用的試驗型就在M16上增加槍機輔助閉鎖裝置（槍機復進助推器，或稱呼為「輔助推機柄」），並命名為XM16E1。所以XM16E1與M16的最大區別在於其上機匣右側有沒有一個活塞狀的槍機復進助推器，而且M16的槍機表面光滑，而XM16E1的槍機右側表面加工有多道凹齒，以便與槍機復進助推器作用，萬一槍機沒有復進到位，可用手按壓這個槍機復進助推器把槍機向前推到定位。
其實在當時，柯爾特、空軍、海軍陸戰隊和尤金·斯通納認為沒必要為步槍增加這個使採構單價增加4.5美元的複雜裝置，而且也認為這個裝置沒有實際好處。無論這個受到爭議的「槍機復進助推器」裝置是否有效？三年後陸軍還是在1967年2月28日訂購有這個裝置的840,000支XM16E1（另一些資料指柯爾特在1966年6月16日獲得這份價值約91,700,000美元的合約），並正式命名為「美國5.56mm口徑M16A1步槍（United States Rifle, Caliber 5.56mm, M16A1）」（另一些資料說M16A1是在1967年2月23日正式命名）。但是在1965年至1967年期間，XM16E1在越南的戰鬥中暴露出許多問題來。 對於AR-15能成為M16，以前在越南初期的問題頻生，M14和SPIW都可謂「功不可抹」。事情還要從1950年代說起。在北約進行「彈藥通用化」即要在北約內統一槍彈口徑時，美國認為T65式7.62×51mm槍彈射程遠、穿透力強，堅決反對任何降低威力的小口徑彈藥，美國憑盟主地位施加強硬影響，使北約在1953年正式決定T65彈為北約制式彈，美軍的制式步槍也選定春田T44，並定型為M14。
M14剛剛裝備部隊便立即在越南戰場投入使用，在越南的叢林山區中，M14的缺點暴露無遺。M14全長1120mm，帶裝滿子彈彈匣時全重4.54kg，由於7.62mm槍彈威力大，在全自動射擊時後座力非常大，射手不容易控制，造成射擊精度很差。最不能忍受的是在越南戰場上配發的M14都安裝快慢機鎖（參見M14/M14A1中的具體說明），士兵只能半自動射擊，在AK47強大火力的壓制下，使用M14的美軍士兵苦不堪言。此外由於步槍和彈藥都太重，通常在巡邏任務中的單兵攜帶的彈藥量不超過100發子彈。此外M14槍身用太多的木製件，結果在越南潮溼的叢林中很快就會因為吸收太多水份而導致變形、鬆動、甚至還會腐爛，從而嚴重影響射擊精度。
美國陸軍高層在落後的思維下導致M14這種落後於時代的武器誕生。而痛定思痛的陸軍高層卻把希望寄托在另一件領先於時代的武器——SPIW（甚至在2020年看來，某些紙面數據也是太科幻了）。陸軍高層是把M16當成是M14和SPIW之間的過渡武器，所以根本不重視M16的研發和試驗。結果，由於SPIW的失敗，才導致M16能正式上位；但也正是由於SPIW失敗得太快，導致M16在列裝前沒機會進行更充分的試驗和改進，且由於陸軍高層對待M16的心態不正，而導致早期M16的可靠性面臨質疑。
XM16E1全面配發到部隊後首次在戰鬥中登場是在1965年11月越南德浪河谷戰役（Ia Drang）的戰鬥，而且表現得相當好。哈爾·穆爾（Harold G. Moore）中校（後升為中將）在報告中寫道：這次勝利是由「勇敢的士兵和M16帶來的」。（哈爾·穆爾與當時的隨軍記者合寫關於德浪河谷戰役回憶錄，書名為《越戰忠魂》（），該書在2002年被拍攝成電影《勇士們》，由梅爾·吉勃遜主演。）
但當XM16E1配發的數量在逐漸增加的時候，其名聲都也在逐漸變得更壞，從1966年秋天開始，越南戰場上頻頻傳出M16出現故障的消息，許多關於戰鬥失利的報告都提到該槍的問題。在1967年5月，一名海軍陸戰隊員所寫的家信中就有這樣的內容： 柯爾特公司立即派出幾個專家小組奔赴現場，美國參議院武裝部隊委員會、美國全國步槍協會旗下的《美國步槍手》（英語：American Rifleman）雜誌等也派人前往調查、採訪，此時，由凱薩琳·利萊（Catherine Leroy）拍攝照片在巴黎《競賽》雜誌上公開，消息傳到國內，一片嘩然，批評M16的浪潮此起彼伏，尤其是反對採用小口徑的人推波助瀾、添油加醋。當時M16存在的主要問題有：這些故障的原因是多方面的，越南氣候潮溼，溫度高，若不注意擦拭維護，很容易使槍生鏽，但改用步槍彈發射藥是主要原因。M16原本所用的M193槍彈原來填裝杜邦公司的IMR4475單基管狀藥，這種藥燃速快、壓力曲線升得快、殘渣少。不久，杜邦公司通知陸軍說他們無法大量生產IMR4475。1964年1月，陸軍決定採用奧林公司的WC846雙基球形藥，他們認為這種發射藥易於生產，成本低，而且燃速慢，降低峰壓，有利於提高槍管壽命，而且原本T65槍彈（7.62×51mm北約標準彈）也是使用這種發射藥的。但事與願違，M193彈採用WC846藥後便出現很多問題：球型發射藥燃燒後會在M16的槍管和導氣管中留下一些粘粘的殘渣，由於槍管沒有鍍鉻，而導氣系統又沒有相應的維護裝備和適合的潤滑物，因此很難迅速使步槍恢復正常使用狀態；由於球型發射藥的彈道特性導致導氣孔的壓力，加上緩衝裝置重量很輕，M16的全自動射速從正常狀態下的每分鐘750-850發大大提到到每分鐘850-1000發；另外由於槍機開鎖時剩餘膛壓高，殘渣也增加槍膛壁與彈殼之間的磨擦力，因此經常出現卡殼和斷殼現象；此外，對M16的生產全過程缺乏一個有效的管理體制導致的質量問題也是一個重要原因。
斯通納本人對於改用發射藥一直存有遺憾，據說他曾與眾議員弗郎克維有過一段對話。當時斯通納正在翻看改變發射藥後的M16步槍技術數據： 除上述原因外，裝備M16的部隊缺乏必要的訓練和指導以及缺少維護裝備也導致M16在戰鬥中出現了很多戲劇性的故障。斯通納系統的優點是槍機在上機匣內形成如「活塞」般在槍管軸線上運動，這樣槍機組在運動過程中質心變化小，不會對精度造成不利的影響，而且沒有獨立的活塞也使得結構簡單和減少活動部件。但該系統的缺點是火藥氣體直接進入槍機組，很容易在槍機組內積碳，因此，M16需要經常清潔和潤滑以確保其可靠運作。使事情變得更糟的是，部隊使用單位被告知這種太空時代的武器不必清理，因此沒有配備相應的維護裝備。如果仍然用最初的IMR發射藥這倒可能是真的，但偏偏現在使用比較「髒」的球形藥。結果，M16經常在戰場上卡殼。
但不管是什麼原因，現在對於M16的爭辯再一次風起雲湧，斯通納的最新設計斯通納63武器系統被送去越南試驗，而SPIW的試驗武器計畫被重啟。幸運的是，這一次對待M16的問題卻表現得比對待M14要冷靜得多。 針對M16在戰鬥中表現出來的問題，由國會組成的委員會於1967年5月15日開始著手調查，首席代表是密蘇里洲的民主黨員理查德·伊薩霍特（Richard Ichord）。他在本寧堡和彭德爾頓營進行測試觀察M16的故障案例，並直接專程前往越南評估問題，調查委員會在1967年6月下旬提交報告，陳述「看上去所謂問題重重的M16其實是一支非常優秀的步槍，其在應用中發現的種種問題均由部隊內部管理不善所致。」。
但抽殼困難和射速的問題是由於設計缺陷引起。為解決設計中的一些問題，M193彈中容易產生殘留物的含鈣元素碳酸鹽含量由原來的1%減少到0.25%，這樣就使M16導氣管的堵塞現象減少一半，抽殼困難的現象也得到解決。柯爾特公司也對M16本身進行改進，例如重新設計緩衝器（即復進簧和配重的復進簧管），使射速降低到正常狀態；設計一種維護工具以及新的槍托，使清潔工具能貯存於步槍內；膛線纏距由1：14英吋改為1：12英吋；嚴格控制生產工藝，提高產品質量。最後，還制訂一項「應該如何正確地維護M16」的龐大訓練計畫，並印制一份連環漫畫式的步槍維護手冊發給士兵，這項措施是關於操作問題的最終解決方法。
也許對M16A1的最重要的變化是槍膛鍍鉻，後來干脆槍管內膛完全鍍鉻。這項改進其實早在最初的「齊射」計畫時已經提出過，但由於不划算而被放棄。當時還沒有可靠的方法去給直徑小的.224槍管內膛鍍鉻。鍍鉻的真正價值在於防止槍膛腐蝕，當槍膛內由於鏽斑、沙、污垢、或機械加工痕跡會增加摩擦系數，粗糙的槍膛加上斯通納式槍機缺少預抽彈殼動作、以及5.56mm槍彈的彈殼錐度過小，許多士兵發現經常在打第一發彈後就會粘膛。而槍膛鍍鉻後則不容易生鏽，而且也減少摩擦，槍膛內殘留的污垢很容易隨著擠壓動作與彈殼一起拋出。
在操作性能和生產問題上所作的努力，使得M16/M16A1的可靠性問題迅速減少，雖然名聲還是很差。但M16開始在實戰中證明它的可靠性能夠達到使用要求。在1967年8-9月期間，有關調查人員再次在越南戰場上調查士兵對M16的意見，調查小組會見超過2,100名士兵，只有38人表示換掉他們的M16步槍，但其中的35人表示想要的只是XM177型——這是M16的縮短型。
在解決故障頻頻的問題後，下一個最迫切的問題，就是如何把更多的步槍交到正需要它們的部隊手上。直到1966年，柯爾特公司都是M16/M16A1的唯一生產商，月產25,000支。1967年6月30日，美國政府購買M16槍系專利、特許生產權和TDP（Technical Data Packages，包括生產圖紙、工藝文件在內的詳細技術資料），美國政府就可以指定其他承包商來生產更多步槍，使部隊能更快地獲得大量新武器。由於擔心飯碗被搶走，柯爾特公司員工馬上展開持續兩個月的罷工來反對這項決定，不過美國陸軍最終還是增加兩個生產M16的承包商。在1968年4月，通用汽車公司的Hydramatic分部（Hydramatic Division of General Motors Corporation）和哈靈頓·理查森公司（Harrington & Richardson）開始生產M16/M16A1，月產分別為25,000支。1969年柯爾特公司擴建，M16的月產量達到50,000支。1970年5月，三家公司的最高月產量達到89,000支。到1971年，通用公司和哈靈頓公司相繼停產M16/M16A1，而柯爾特則仍在為美軍提供M16/M16A1步槍，直到1988年。（為防止M16A1的訂單被取消，柯爾特公司在1969年還製造兩支氣體活塞長行程傳動系統，類似AK槍系槍機傳動原理的Colt Model 703 型。）
M16與AK47的首次較量是在越南戰場上，在很多對比兩支槍性能的報道中都會提到當時很多美軍士兵在繳獲AK47後，寧願扔掉M16而使用AK47，這種情況常常被誇大地描寫，使人感覺到M16系列十分不可靠。然而事實上美國士兵扔掉M16步槍雖然確是存在的事實，但卻遠不如人們所想像的普遍。在哈爾·穆爾的書名為《越戰忠魂》中多次提到戰鬥中M16出現故障時的解決方法往往是一些人使用傷員或陣亡人員的步槍繼續戰鬥，而另一些人則蹲在散兵坑底排除故障。因為在戰鬥，除非自己的武器確實無法使用又沒有後備武器，否則一般人都不會冒險在火線下撿敵人的武器使用，那通常是在戰鬥結束後打掃戰場時才悠哉游哉地幹的事情，此外使用不同型武器還涉及到訓練水準的有效發揮和配用彈藥供應等問題。使用繳獲武器情況的確存在，但反過來，同樣有不少越共、北越軍使用繳獲的M16系列。一方面他們懼怕M16的殺傷力，他們經常談論「小黑槍與小彈能打大孔」，另一方面，他們使用任何能找到的任何武器，包括M16。
經過改進的M16A1不但提高可靠性，也在生產質量上嚴格把關。例如每一批M16A1在配發到部隊前，都會進行可靠性抽試，抽試的結果中表明M16A1平均故障率為0.033%，低於指標要求的0.15%，平均無故障工作時間為3000發。通過嚴格控制生產工藝，M16A1還是具有良好的可靠性。盡管M16最初在越南戰場上表現得故障頻頻，但問題在6個月內就解決，M16/M16A1在戰鬥表現中證明尤金·斯通納的設計優秀。
雖然美軍在越南戰場失利，但M16卻從越南戰場起步，僅柯爾特公司在這段時間內就生產350萬支M16。1974財政年度，美國陸軍採構270萬支。M16開始走向世界，並在世界各國軍隊掀起一股小口徑步槍熱潮。有意思的是，北越軍隊徹底擊敗南越軍隊後，從南越軍隊手上繳獲約一百萬支M16A1。越南在1970年代至1980年代期間把這些繳獲的M16A1銷售到其他地方，大部分是賣到中美洲，比如薩爾瓦多的左派游擊隊馬蒂民族解放陣線黨（FMLN）。
1970年3月，五角大樓發表震驚其他北約國家的言論：「所有隸屬北約的美軍部隊必須裝備M16A1」。英軍對於美國軍械部人員20年前強制要求北約使用7.62毫米口徑彈作為標準彈藥往事表示不滿，因為美國曾認為英國的0.280口徑（7.1毫米）彈藥威力不足，而現在卻告知他們說美國終於認識到這種小口徑槍械的必要性，也開始準備進行一種更輕的北約標準化彈藥。
但是在1970年代中期，其他國家的軍隊也在尋找一種類似M16的武器。一項北約標準化的計畫很快啟動，並在1977年開始進行針對各種不同彈藥的測試。美國直接提交他們最原始的設計，M193槍彈，而且沒有進行任何改良。然而隨著防彈衣的普及，部份國家認為其裝備的子彈應該具備更高的貫穿力。英國推出一種改進自5.56毫米彈藥，使用更長和更細的4.85毫米子彈，裝在現有的美國彈殼內。這種彈藥具有更好的彈道性能，也具備更強的穿透力，有效射程為600公尺，符合他們對於班用自動武器（輕機槍）的要求。西德開發一種新的4.7毫米無殼彈藥，與美國原本的設計具備相似的彈道性能，但是卻輕巧得多。然而對於這種無殼彈藥還是有很多不信任，因為它有可能自燃。最終的設計由比利時提交，也就是SS109彈，一種同樣基於美國子彈，口徑同樣是5.56毫米口徑的新彈藥，它具備較重和更尖銳的鋼彈頭以增加貫穿力，有效射程比M193彈更遠。
測試很快就發現比利時和英國的設計大體上差不多，但是都比原始的美國設計要好。然而為發揮SS109的全部性能，槍管需要使用1：7英吋膛線纏距是為發射L110曳光彈時可更加穩定，這種曳光彈在改進彈道性能的同時更增加射程，L110的有效射程則是800公尺，M196曳光彈（使用M193球狀裝藥配套）的有效射程為450公尺，而現有的：12英吋膛線纏距槍管由於不穩定性而只有90公尺的有效距離。SS109所需要的最佳纏距是1：9英吋，但是最終美國陸軍選定比利時SS109彈作為新的制式步槍子彈，為此他們需要全新步槍。在1982年面世的M16A2從那以後成美國的制式軍用步槍。為美國生產的北約標準彈藥稱為M855彈，使用來自SS109彈的球狀裝藥。M856彈則為L110曳光彈的美國版本。
柯爾特在獲取阿瑪萊特AR-15步槍的生產權後生產的首兩個型號為601和602型（Colt Model 601 and 602 ）。這兩種型號實際上只是對原來阿瑪萊特步槍的複製版本。601型和602型的彈匣座側面呈平板狀，它們沒有在彈匣釋放鈕外面設置防止誤操作的「圍欄」，同時部份版本的槍身被噴上綠色或棕色油漆。601型是美國空軍採用的第一種步槍，但是後來很快就被改良版XM16／M16（柯爾特604型）所取代。他們也購買一定數量的602型。大量的601和602型曾被許多特種部隊所採用，當中最有名的就是英國陸軍特種空勤團（SAS），他們早在派到馬來亞作戰時便已裝備這些武器。601型和602型的唯一區別就是後者從原本14分之英吋的膛線纏距改為更常見的12分之1英吋的纏距。
「XM16」為美國空軍正式採用後的版本，其正式命名為「5.56mm口徑M16步槍」。這是美國軍方第一種正式採用的M16，具有三角形的護木及三瓣式消焰器，但並沒有復進助推器。槍機本來採用鍍鉻式設計，槍機側面則被磨光，也沒有裝配槍機復進助推器的槽口。後來，鍍鉻槍機被放棄，因為陸軍配發裝配復進助推器（槍機輔助閉鎖裝置）槽口以及燐化處理過的機框的試驗型。美國空軍至21世紀仍繼續使用這些武器，並會在槍械磨損時進行翻新和更換新的部件。
陸軍的原型版本XM16E1和M16在本質上是一樣的，除了前者增加槍機復進助推器。M16A1是第一種最終化生產型。為解決在XM16E1測試中暴露出來的問題，生產商以一種「鳥籠」式消焰器取代XM16E1原本採用的三分叉式消焰器。後者太容易讓外來的物體進入，例如被樹葉和細樹枝卡住。當在戰場上發現許多問題之後，生產商都針對這些問題作相應的改動。此外也研製清潔工具，以向士兵配發。由於採用槍膛內室鍍鉻以及後來的全鍍鉻槍管內膛，原本因污染物和鏽跡所導致的故障已逐漸減少。問題最終在6個月內就解決，以至於後來的部隊已經對這些早期故障不甚熟悉。
M16A2所作的改動比先前型號更多。除採用新的膛線外，護木前的槍管進行加厚處理，以增加槍管的抗彎曲性能，同時減緩連續射擊時的過熱，也有助提高單發精度。覘孔直徑改為5毫米，並加上一個新的可調節照門，它可從300到800公尺進行調節，還可以調整風偏，以充分利用SS109彈藥的彈道特性。消焰器被再次修改，這次是將消焰器底部兩個向下的開孔封閉，使其在俯臥射擊時不會揚起灰塵或者雪花。護木截面從原本的三角形形狀改成有散熱肋條可以起防滑作用的圓形，使其更適合手掌小的使用者握持，也由原來的左右兩半式改為上下兩半對稱式，從而使得庫存的備件不必單獨區分左護木和右護木。其槍托設計得更長和更結實，由於採用改進的塑膠材料和設計，A2型的護木據說比原先的設計要結實10倍。SS109彈由於採用更重的彈頭，初速也因而有所減少，從早期型號的3,200碼／秒（975公尺／秒）下降至A2的大概2,900碼／秒（875公尺／秒）。另在上機匣內朝向拋殼口的後方設有一個特別的彈殼拋殼偏向裝置來防止退出的彈殼打到左撇子的使用者。
槍機也重新經過設計，將原本的全自動模式改成三發點放模式。訓練不足的部隊在使用全自動武器的時候，由於掌握不到控制連發射擊的技巧，經常扣著扳機不放，從而造成散射。因此，美國陸軍得出結論：三發點放能夠在節省彈藥，準確度和火力密度之間提供一個最好的平衡。但是，M16A2的點射機構帶有設計缺陷：扳機組件在扳機釋放之後不會自動復位。舉例來說，當一名士兵在點射時第二發和第三發之間就已經鬆開扳機，那麼下一次他再扣動扳機的時候只能打出一發子彈。即使在半自動模式中，扳機組件的機制也會影響武器的使用。每射出1發子彈後，扳機組件都會在點射模式的3級之間位置不同。在這些級數之間每一次扣動扳機力度都不太一樣，會影響精確度，雖然對於大多數射手來說都不明顯。
總括而言，M16A2的新特性為原本的M16增加重量和復雜度，而且取消全自動模式。在新型號被認為更精確的同時，更重的子彈也帶來更彎曲的彈道曲線，從而使得距離估量的準確性要求更加高。輿論也指出覘孔的設計不理想，小覘孔不容易找準星，而大覘孔又降低瞄準的準確性。更糟糕的是，照門的形狀並非造在同一平面上。或者說，當照門因應不同的射程需要進行調整的時候，彈著點將會發生改變。照門的距離調整功能在戰鬥中很少使用，因為士兵通常都會將它調到最低距離，也就是300公尺。但不管這些輿論的批評，不論是為滿足北約標準化的SS109（M855）還是為替換軍械庫中的越戰時代武器，這種新的武器還是需要裝備的。
M16A3是M16A2的可全自動射擊特殊型號，為M16A2剛問世時美國海軍所採購，數量不多，主要用於艦艇、基地警衛保安工作。它具有Safe-Semi-Auto（S-1-F）快慢機，就像M16A1一樣。關於M16A3的特性至今仍有一些混淆的地方。它經常被描述成M16A4的可全自動射擊版本，但正式版本的M16A3配備M16A2的上機匣而不是M16A4型的平頂型上機匣。而所謂的「平頂型M16A3」很可能只是部份使用者把M16A4的平頂型上機匣安裝在M16A3下機匣的改裝武器。這種誤解也有可能來自於民用槍械製造商給予的A2和A3代號，用來區分具有固定攜行提把的A2和具有皮卡汀尼導軌的版本。
M16A4曾為美國海軍陸戰隊的前線制式裝備，美國陸軍未有正式採用但有將其列入戰地手冊（U.S. Army Field Manuals）中，它是將槍械與火控系統分別進行模塊化來設計的。M16A4取消舊型號的固定式攜行提把以及金屬照門的組合，而是以MIL-STD-1913皮卡汀尼導軌及可拆式提把取代之。這令槍械可以裝備可拆卸攜行提把或大部分MIL-STD-1913規格的軍用和民用照準器。所有美國海軍陸戰隊的M16A4都裝配的M5 RAS戰術導軌護木，可以附加前握把、雷射瞄準具、通用戰術燈或者多種其他附件。在美國陸軍戰地手冊裡，配備RAS的M16A4通常稱為M16A4 MWS或模組化武器系統。這個型號仍然沿用M16A2的三發點射模式（部分美軍士兵也會使用M16A4的上機匣和M4A1的下機匣進行結合改造，不過這種改造一般是不被允許的）。
美國海軍陸戰隊已於2015年10月以M4卡賓槍取代前線部隊的M16A4，這些步槍被轉交給非前線部隊和支援崗位使用。而在2017年，海軍陸戰隊的M16A4和M4已全面被HK M27步兵自動步槍所取代。目前在美軍內部只有少數的非前線部隊仍有裝備M16。
隨著在東南亞的武裝沖突不斷升級，柯爾特研製兩種M16的改型，以擔任狙擊步槍或精確射手步槍的角色。柯爾特655（colt model 655）本質上是標準的M16A1步槍，但是配備較短的重型槍管以及可拆卸攜行提把上安裝的瞄準鏡。柯爾特656配備長型重槍管，它具有一個特別的上機匣，沒有可拆卸攜行提把。但是它有一個可調風偏的機械瞄準具以及韋佛式瞄準具基座。後者是柯爾特和皮卡汀尼導軌導軌的先驅。除重槍管之外，它還具有一個有護圈的的金屬準星。兩種步槍都以萊瑟伍德或Realist 3—9倍可調距離望遠鏡式（ART）瞄準鏡為主要瞄具。部份版本還裝上Sionics消音器。不過這兩種步槍都沒有成為美軍制式裝備。
這些武器都可以被看成美國陸軍的美國陸軍班用精確射手步槍（SDM-R）及海軍陸戰隊的美國海軍陸戰隊班用先進射手步槍（SAM-R）的始祖。
在越南戰爭期間，部份美軍士兵配備M16的卡賓槍版本，稱為XM177。XM177配備較短的槍管約10英吋（約260公釐）以及伸縮式槍托，使得它能更加緊湊。它還具有火藥燃氣通過幾級膨脹室減緩膨脹速度從而降低槍口震波的減音／消焰器組合功能的消音器，可減少槍口火焰及噪聲帶來的問題。美國空軍的GAU-5/A（XM177）改良型以及美國陸軍的XM177E1改良型區別在於之後的槍機復進助推器。最終的空軍GAU-5A/A和陸軍XM177E2具有長290毫米的槍管，以及更長的減音／消焰器。增長槍管是為能夠安裝柯爾特的XM148 40毫米榴彈發射器組件，同時也可以改善彈道性能。這些版本也叫做柯爾特突擊型（Commando），它們以CAR-15的名義作稱呼及採構。這些改型只少量配發給特種作戰部隊、直升機機組人員、空軍飛行員、士官、無線電操縱員，以及炮兵等單位使用，而非常規的前線士兵。由於槍管較短，沒有充分燃燒的火藥顆粒很快就會堵塞消聲／消焰器，從而降低消聲效果；另外消聲／消焰器也會影響射擊精度；最令人困擾的是原本在M16步槍上由發射藥所引起的射速過高問題在XM177E2上變得更嚴重。故美軍最後停止對XM177E2的進一步改進，同時把已經簽定的生產合約全部作廢。而正式採用過XM177的亦只有美國空軍。
美軍現時使用的M4卡賓槍就是從這些設計衍生研究出來的，包括部分14.5英吋槍管的M16A1型卡賓槍（柯爾特653型）。在1980年代開始採用M16A2和新的M855／M856彈時，採用新膛線的卡賓槍開始取代這些M16A1型卡賓槍。XM4（柯爾特720型）在80年代中期開始測試，採用14.5英吋（368毫米）槍管。該槍在1994年正式服役，並被正式命名為M4，以取代M3沖鋒槍（以及M9手槍和某些部隊的M16A2）。在巴爾干半島、2000年代反恐戰爭，以及伊拉克戰爭等多場武裝衝突中，它獲得讚譽，現時已取代M16系列成為大部份美軍前線部隊的主力步槍。
柯爾特曾在1980年代重啟它原先的「Commando」構思，推出M733。M733本質上是結合許多M16A2特點的現代化XM177E2。它採用290毫米短槍管，由於槍管極短，又採用標準的M16A2的消焰器，因此膛口噪音和槍口焰的問題非常嚴重，這也是柯爾特突擊型屢遭批評的地方。
同樣在1980年代，射孔武器（FPW）也研製完成，與M2布雷德利步兵戰車搭配使用，為乘搭這些車輛的步兵提供一種能夠在車內通過射孔向外開火的武器，它的代號為M231。
Mk 4 Mod 0是在越戰期間為海軍三棲特戰隊生產的M16A1改型，於1970年4月服役。它和基本的M16A1主要的區別在於Mk 4 Mod 0是為海軍陸戰隊使用而優化的，它裝有抑制器。該槍的大部分部件都添加Kal-Guard潤滑油，槍托和緩衝器管上設有一個1/4英吋的開孔作排水用途，以及在緩衝器組件末端有一個O形環。這款武器能夠放在水下200碼（60公尺）而不會造成任何損傷。最初的Mk 2 Mod 0消風器是以美國陸軍人體工程學實驗室（HEL）的M4消噪器為藍本。HEL M4將氣體從槍機直接排出，但需要一個改進的機框方可完成。另在拉機柄上面加裝一個氣體偏轉器，以防止氣體接觸到使用者。如用戶移除HEL M4消聲器，他可能需要在每次單發射擊後手動上膛及退膛。另一方面，Mk 2 Mod 0消風器也被認為是Mk 4 Mod 0步槍整體的一部分，但是它卻可以在HEL M4移除後繼續發揮作用。Mk 2 Mod 0消風器也具備快速排水功能，用戶並不需要對拉機柄或機框進行任何修改。在1970年代後期，Mk 2 Mod 0消風器被KAC的Mk 2消風器所取代。KAC消風器能夠完全浸入水中，並在拿出水面的8秒鐘內完全排干水分。即使安裝在M16A1上射擊的時候，它也不會降低工作效能。美國陸軍後來將HEL M4換成經簡化的SIONICS的MAW-A1消聲滅焰器。
但由於「AR-15」的版權和商標早已過期，故現在大量廠商都推出以AR-15為原型改良，甚至直接山寨原槍的版本，從而成為美國流行的民用槍械之一。M16是世界上最普遍生產的5.56×45毫米步槍。當前，M16／M4系列武器在至少15個北約國家和全世界超過80多個國家使用。美國和加拿大（迪瑪科C7）總共生產8,000,000把步槍。 使用M16步槍家族系列的國家和地區包括：
M16自動步槍以及它的改型在美國和其他許多國家的電影，電視和電子游戲中几乎無處不在。出現M16步槍的電影及電子游戲包括： 2010年8月23日上午9時左右，一名被革職的菲律賓高級警務督察以坐便車為名，手持M16突擊步槍登上香港康泰旅行社在菲律賓的旅遊巴士，脅持車上25名人質並要求菲律賓政府讓他復職，犯人最終在同日被菲律賓警察擊斃，另有8名人質死亡、7名人質受傷。