AR-15自动步枪（AR-15 Type Rifles）是在7.62毫米（mm）口径的AR-10自动步枪基础上，由费尔柴尔德阿玛莱特公司的尤金·M·斯通纳设计的5.56毫米（mm）步枪。AR-15中的"AR"来自阿玛莱特的英文名称，而不是突击步枪（assault rifle）。由于是第一种使用5.56毫米口径的步枪，它又被誉为开创小口径化先河的步枪。

在“齐射计划”后美国军方对新式步枪的需求与日剧增，有着AR-10的研发经验的阿玛莱特进行了AR-15步枪的研制。AR-15借鉴了当时许多步枪的设计，其中包括M1941约翰逊步枪的闭锁装置；FNFAL的机匣盖和枪尾；T-25的枪管同轴式直枪托；英国EM2步枪的带有照门的提把；德国StG44突击步枪的抛壳口防尘盖；瑞典杨曼步枪的导气系统，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。但在测试中这款步枪暴露了很多问题，最终美国陆军对AR-15失去了兴趣。1959年12月，AR-15对设计厂商仙童公司因为资金问题，把AR-15的设计、生产与销售权以现金75，000美元和日后4.5%的销售提成卖给了柯尔特轻武器公司。

塞缪尔·柯尔特公司获得AR-15的生产权限后，进一步完善了该型步枪的设计。柯尔特公司生产的AR-15主要使用5.56×45mm北大西洋公约组织标准弹（.223雷明顿步枪弹）。其机匣由铝合金制成，护木、握把和枪托则由塑料制成，而枪管、枪机和机框则以钢为主要材料，经过该近后的AR-15在美国军队中大量装备。除了最初被美国政府批准和授权的柯尔特公司外，基于相同基本设计特征和规格的武器，在世界上许多国家制造了数十种口径的数百种版本和配置。在民用领域AR-15也占据大量的市场，柯尔特公司的专利过期后，各大公司纷纷仿效，推出类似产品，从而形成了一个庞大的AR枪族，其中，既有军用的M16系列自动步枪、M4步枪等，也有五花八门的民用版型号。AR-15已经不仅仅是一款特定步枪，而是成为了一个枪支级别，有数百家美国枪支制造商生产自己版本的AR步枪，每年总产量约为150-250万支。此外，AR-15还衍生出M16A2、M16A4、M4自动步枪、俄版AR-15步枪等多种型号。

第二次世界大战结束不久，美国弹道研究实验室（Ballistic Research Laboratories，简称BRL)和美国陆军总参谋部于1948年9月成立的作战研究办公室（Operations Research Office，简称ORO）相继通过研究得出，“通过增加射弹数量及其速度，可极大增加步兵手中的轻武器在瞄准敌人后射击的命中机率。”

ORO步兵分部的领导诺尔曼·希契曼（Norman A. Hitchman）提出，应研发一种新的自动武器，通过点射或齐射大量射弹来弥补士兵因为瞄准误差而降低的命中率“要么同时射击（齐射）多发，要么是高射速的点射、且每轮点射的射弹数目是设定好的，而不是通过松开扳机的时机来控制点射子弹数。如果是齐射的话，射击散布应通过多枪管、或子母弹型来控制，或通过霰弹枪发射的制导式射弹来提高命中率。”在此建议的基础上，ORO和BRL共同提出了“齐射”（SALVO）的研究项目。

该实验先后采用多弹头、单枪管，双管或三管的方案，以及AAI（马里兰州的航空装备有限公司）的箭形弹等方案，最终证实了希契曼的理论，这样一来，美国军方就产生了对新式步枪采购的需求。

阿玛莱特创立于1954年，是仙童发动机和飞机制造公司（Fairchild Engineand Airplane Corporation）下属的分公司，主要负责为轻武器工业开发新材料和新设计。尤金·斯通纳加入阿玛莱特公司后，是担任射击比赛武器和救生枪的主任工程师，但他也在寻找军用步枪的研制机会。

当时陆军正在试验一些替换M1伽兰德的新步枪，春田兵工厂的T44E4和较重的T44E5基本上是改自伽兰德型，而FN提供的T48就是FNFAL。虽然已经迟到了，来不及参加早期的测试，但阿玛莱特和斯通纳仍然决定加入这项竞争，并加紧研制他们的AR-10。

尤金·斯通纳设计的AR-10是一把发射7.62×51mm北约标准弹的自动步枪。该型步枪大量借用了其他步枪的设计思路，例如从FAL借来了接式机匣，让步枪可以“折开”两部分来维护；从美国约翰逊M1941步枪借来了多凸笋回转式闭锁枪机；又从德国FG42和约翰逊轻机枪的直枪托和加高瞄准具的设计，抛壳口上的防尘盖则是从德国的StG44突击步枪借来的。不过AR-10最大的特点就是大量使用了钛和铝等通常在航空工业中运用的材料，在当时还没有人用它们来做轻武器的轻型材料。

由于AR-10的独特设计，在1955年推出的原型就比当时的两个竞争对手轻了近1公斤，但全自动射击时却比这两个竞争对手都更容易控制，而且握持起来也比同时期的其他武器都要舒服。但美国陆军的严酷试验中发现AR-10的复合枪管不够坚固，为此阿玛莱特改用传统的铬-锄-钒钢合金枪管（铬钼vanadiumsteel）代替它。不过，陆军仍然拒绝AR-10，选择了传统的T44。因此，AR-10没有被广泛采用，大概只造了1万支左右。

当“齐射”计划在1957年作出总结后，一个仿照格斯塔森在1955年因没有资金筹备而中止的研究被重新提了出来，于是美国陆军团司令部（U.S. Continental 陆军 Command，简称CONARC）的司令官威莱德·维曼（Willard G. Wyman）将军立刻要求生产厂商组织一些研究小组来试制.22口径（5.6mm）步枪。设计要求符合下列各项：有20发容量弹匣；装弹后重量少于6磅（经2.7kg）；能选择射击方式；每发子弹能500码（约460m）射程上能穿透一顶标准美国钢盔、防弹衣或0.135英寸（3.4mm）厚的钢板，其“伤害”能力极大地超过.30卡宾枪。

当看到AR-10时，维曼亲自暗示阿玛莱特应该尝试设计这样的武器。根据这些要求，阿玛莱特公司由尤金·斯通纳（主设计师）、罗勃特·佛利蒙（Robert Fremont，监督原型枪的生产）和L·詹姆斯·沙利文（L.James Sullivan，监督方案起草工作）领导的设计小组开始研制新的.22口径步枪。他们的第一个设计却是使用传统布局和木制枪身（也许是AR-10在试验中的失败使他们对这种新颖设计心有顾虑），但试验中发现太轻，而且传统的枪托设计也导致连发时后坐力不易控制，甚至用较轻的枪弹也是一样。于是他们的第二个设计决定把AR-10按比例缩小成口径为.222的自动步枪，试验马上就成功了，新枪被命名为AR-15，设计组只用了6个月时间就提交了6支样枪由阿伯丁试验场评审。

同时温彻斯特步枪（Winchester Repeating Arms）也加入.22口径步枪的竞争计划，他们采用基于他们的M1卡宾枪的设计，提供了一种.224口径的轻型军用步枪Light Weight Military 步枪，简称LMR）的样枪。而春田兵工厂的埃利·哈维也基于T44步枪研制了另一种.224口径（两种.224口径完全不通用）的轻型步枪样枪，但春田的领导拒绝从T44计划中分一些资源出来参与这项“前途不明朗”的竞争计划，所以春田并没有在小口径步枪上投入资源。

在试验中，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）改进他们初速为3300英尺/秒（1006m/s）的55格令.222雷明顿步枪弹，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的枪管改为全钢制简单结构枪管，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；FNFAL的机匣盖和枪尾；T-25的枪管同轴式直枪托；英国EM2步枪的带有照门的提把；德国StG44突击步枪的抛壳口防尘盖；瑞典Ag M/42半自动步枪的导气系统，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。

另外由于较轻的新型弹药允许步枪采用铝合金和塑料等轻型材料，尺寸更小，即使换成全钢枪管后仍然是比温彻斯特LMR轻了1磅（约450g），AR-15空枪重只有6.35磅（2.89kg），满载后重约3.5kg。到最后，阿玛莱特的AR-15没有真正的竞争者。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自动步枪开始，以后生产的步枪都应镀铬。

 另一个问题是，研制时间太短。所以当AR-15推出的9个月后即1958年3月31日开始进行的军队试验时，其实AR-15的完整的研制过程还没有完成，而且由始至终军方的军械工程人员和阿玛莱特公司设计师没有面对面工作过。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。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。但在测试中这款步枪暴露了很多问题，最终美国陆军对AR-15失去了兴趣。

虽然AR-15最终没有获得美国军方的采用，但是仙童公司仍选择继续研制。此时仙童已经在AR-15上花了约145万美元的研制费用，而且似乎还看不到尽头。于是，阿玛莱特决定停止对AR-15的研究，而仙童为了偿还债务也在1959年12月把AR-15的设计、生产与销售权以现金75，000美元和日后4.5%的销售提成卖给了柯尔特轻武器公司（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。

柯尔特公司获得AR-15的生产权限后，进一步完善了该型步枪的设计。塞缪尔·柯尔特最初的AR-15的型号分别是601型和602型，这两个型号基本上只是最初阿玛莱特步枪的复制品。这两个型号的机匣右侧弹匣座位置还是“平面”造型，还没有603型开始出现的凸起“围栏”。而601型和602型在外观上主要的区别是消焰器不一样，至于还有一处在外观上看不出的主要的区别，就是601型的膛线缠距为1/14英寸，而602型改为1/12英寸。这两个型号中的大多数都是用绿色或棕色枪身。

柯尔特公司在前期经过一系列的舆论造势，使AR-15得到了政府的支持和战场上将领的青睐。其后，有报告显示AR-15更适合身材矮小的南越政府军士兵使用，而正在为南越军队工作的美国特种部队也强烈要求立即采用AR-15。不久，国防部正式指示在实战条件下试验AR-15，试验结果表明AR-15在性能上优于其他武器。不过，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。报告指出：通过对AR-15和M14的效费比试验表明，如果装备一定数量价格更为低廉的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。

随着AR-15的威力被试验记录证明，柯尔特也在政治上获得强势支持，美国军队驻越南总司令威斯特摩兰也多次提出装备的请求，罗伯特·麦克纳马拉在1963年1月23日命令停产M14。此时，空军已经将在越南使用的经过改进的AR-15（柯尔特604型）命名为XM16。在1963年11月4日，柯尔特公司获得一份生产104，000支XM16的合同——其中85，000支提供陆军的特种部队与空中机动战术部队试用，另外19，000支供空军的空降特种部队使用。

同时，陆军高层及研究部门正如火如荼地开展了另外一项计划“特种用途单兵武器（SPIW）”，作为未来的通用步兵武器。其实主要的目的就是变着法子抵制AR-15。他们高度推荐立即采用这种武器，并表示这种武器就像M16系列自动步枪一样也是采用小口径高速弹的原理。因此，陆军的装备部门根本没有精力对AR-15进行试验和评估。1963年未，空军正式地接受了他们的第一批XM16。

1964年2月8日，美国空军把XM16正式命名为“美国5.56mm口径M16步枪”（United States 步枪, Caliber 5.56mm, M16）。由于AR-15的拉机柄只有拉动枪机功能，不能助推，而枪机比较轻，惯性小，一旦因为某种原因使枪机不能复进到位，枪机就无法闭锁，出于对这个问题的担忧，陆军采用的试验型就在M16系列自动步枪上增加了枪机辅助闭锁装置（枪机到位助推器，或称呼为“辅助推机柄”），并命名为XM16E1。所以XM16E1与M16的最大区别在于其机匣右侧有没有一个活塞状的辅助推机柄，而且M16的机框表面光滑，而XM16E1的机框右侧表面加工有多道凹齿，以便与辅助推机柄作用，万一枪机没有复进到位，可用手按压这个辅助推机柄，把枪机向前推到位。

无论这个受到争议的“辅助推机柄”装置是否有效，三年后陆军还是在1967年2月28日订购了有这个装置的840,000支的XM16E1（另一些资料指柯尔特在1966年6月16日获得这份价值约91,700,000美元的合同），并正式命名为“美国5.56mm口径M16A1步枪（United States Rifle, Caliber 5.56mm, M16A1）”（另一些资料说M16A1是在1967年2月23日正式命名）。但是在1965年至1967年期间，XM16E1在越南的战斗中暴露出许多问题来。

在过去，美国军队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系列自动步枪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，以致以后屡被抛弃。对于M1伽兰德来说，M14确是一个好的替代品，但对M1/M2/M3卡宾枪来说，M14却不是一个合适的替代品。在装备M14的时候，美军想方设法地要加强他们的火力以应对京族使用的卡拉什尼科夫自动步枪，他们使用可以找得到的任何武器，包括大量第二次世界大战时的汤普森冲锋枪、M3A1冲锋枪等。因此，在越南战场上的美国军队迫切地需要一种新的步枪取代M14自动步枪。在这样的需求下，大批M16系列自动步枪尚未完成充分试验就在越南战场上使用了。

被用于越南战场上M16显露出了步枪弹膛污垢严重、卡壳、拉断弹壳、弹匣损坏、枪膛与弹膛锈蚀、缺少擦拭工具等问题，柯尔特公司对枪弹发射药进行更换，并对步枪的设计缺陷进行针对性的改进。M193弹中容易产生残留物的含钙元素的碳酸根的含量由原来的1%减少到0.25%，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，例如重新设计缓冲器（即复进簧和配重的筒），使射速降低到正常状态；同时，为弹膛镀铬，枪膛镀铬后则不容易生锈，而且也减少了摩擦，弹膛内残留的污垢很容易随着挤压动作与弹壳一起抛出。他们还设计了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系列自动步枪”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。

改进后的AR-15 自动步枪，成为世界上最广泛和最受欢迎的步枪之一。除了最初被美国政府批准和授权的柯尔特公司外，基于相同基本设计特征和规格的武器，在世界上许多国家制造了数十种口径的数百种版本和配置。在民用领域AR-15也占据大量的市场，柯尔特公司的专利过期后，各大公司纷纷仿效，推出类似产品，从而形成了一个庞大的AR枪族，其中，既有军用的M16、M4步枪等，也有五花八门的民用版型号。AR-15已经不仅仅是一款特定步枪，而是成为了一个枪支级别，有数百家美国枪支制造商生产自己版本的AR步枪，每年总产量约为150-250万支。

AR-15的机匣由铝合金制成，护木、握把和枪托则由塑料制成，而枪管、枪机和机框则以钢为主要材料。早期的型号仅有2.9公斤（6.4磅），这大大地轻于1950年代和1960年代的7.62mm“战斗步枪”，和战斗全重5公斤（满载）的卡拉什尼科夫自动步枪相比较非常轻。M16系列自动步枪A2和稍后的衍生型比较重（8.5磅或3.9kg）是因为采用了比较厚的枪管壁。厚枪管更坚固当然也减缓了维持射击时的升温。和一般所谓的厚枪管不同，M16A2的厚枪管只是护木前面的部分加厚。在护木内的枪管轮廓与M16A1的相同，这是为了兼容M203榴弹发射器的安装。

AR-15系列步枪采用的是气吹式原理。气吹式自动原理的导气管中不设有活塞，直接利用导回的燃气推动枪机后坐，枪机再由弹簧推回、复位。气吹式自动原理构造简单，避免了活塞杆对枪械精度产生影响，但对枪械与弹药工艺要求高。例如，早期的M-16自动步枪，就由于枪械零部件加工不够精细、弹药燃烧不充分，频频出现卡壳故障。

由于AR-15的拉机柄只有拉动枪机功能，不能助推，而枪机比较轻，惯性小，一旦因为某种原因使枪机不能复进到位，枪机就无法闭锁，出于对这个问题的担忧，陆军采用的试验型就在M16系列自动步枪上增加了枪机辅助闭锁装置（枪机到位助推器，或称呼为“辅助推机柄”），并命名为XM16E1。所以XM16E1与M16的最大区别在于其机匣右侧有没有一个活塞状的辅助推机柄，而且M16的机框表面光滑，而XM16E1的机框右侧表面加工有多道凹齿，以便与辅助推机柄作用，万一枪机没有复进到位，可用手按压这个辅助推机柄，把枪机向前推到位。

AR-15步枪的枪托，手枪握把，护手几乎总是由某种塑料制成，附在整个M16 / AR-15系列武器上，主要颜色是黑色，这也是其“黑色步枪”绰号的原由。AR-15 的枪托可以有多种变体，但这些枪托有两种基本的“模式”——固定的“M16 型”枪托和可折叠的“M4 卡宾枪型”枪托。

AR-15护舷最开始选用聚合物作为材料， 之后聚合物护手被皮卡汀尼型附件导轨接口替代，该接口通常由铝管形成，而导轨则用于安装其他配件，例如光学瞄准器、闪光灯、激光瞄准模块、前把手、两脚架等附件。皮卡汀尼导轨之后，各种标准的导轨护木应运而生。美国军队曾经装备的M16系列自动步枪A4自动步枪，就将护木更换为了RAS M5导轨护木。 还有一些公司开发了功能相同的接口系统，如Key-Mod接口系统和M-LOK接口系统等，这些接口系统的使用大大提高了AR-15系列枪械的可拓展性，使得AR-15系列枪械可以非常方便地安装附件。

在瞄准系统方面，最初的AR-15型运动步枪紧跟军用模式，其特点是安装在气块上方的受保护的前柱瞄准镜，以及内置在机匣上方的整体提手中的孔径型后视镜。在 1990 年代中期，整体提手逐渐失宠，取而代之的是，步枪的上部机匣在顶部平坦，形成所谓的皮卡汀尼（Mil-Std 1913）导轨，可用于快速安全地安装几乎任何类型的瞄准设备。“红点”瞄准具的发展使其成为大多数军事和民用应用中中短距离瞄准的首选瞄准装置。为了更精确地工作，放大光学瞄准器可以使用适当的安装座轻松安装在同一个皮卡汀尼导轨上。使用皮卡汀尼导轨的好处是，一支步枪可以同时安装多个瞄准具，例如折叠底座上的红点加备用铁瞄准具（BUIS），或红点加放大镜或红点加夜视单筒望远镜等。

AR-15步枪由可拆卸的盒式弹匣供弹。弹匣释放按钮位于弹匣外壳的右侧。军用规格弹匣通常由铝制成，容量为30发（越南战争早期M16系列自动步枪弹匣为20发）。市售弹匣的容量可以从 5 到 100 甚至 150 发不等，最常见的是 30 发。零配件市场有弹匣并联装置，军事主管部门说并联的弹匣容易使弹匣口损坏或渗进污垢，这样容易出现供弹故障，然而在阿富汗或伊拉克的照片中发现世界十大特种部队或常规部队都有士兵使用弹匣并联器。

M3双功能两脚架安装在准星座下方的枪管上，不但可以提高射击时的稳定，而且还可以充当低碳钢丝剪。不用时可装在专用的XM3两脚架装中。XM3两脚架袋有3种型式。第一型仅能容纳两脚架，第二型上增设了容纳通条的口袋，而第三型上是增设了一个专门的袋子，可用于容纳整套清洁工具。

在发射空包弹时，为提供足够的膛压以确保自动机构可靠地运作，需要在枪口上安装空包弹适配器。M15A2空包弹适配器为整体涂红色标识，用于M16系列自动步枪A1、M16A2、M16A4等标准长度的步枪。M23空包弹适配器上有“M4 卡宾枪 Only”的印记，而且整体涂黄色标识，只能在M4和M4A1等卡宾枪上使用。

M16/M16A1步枪于1964年采用专用的美国M7式刺刀刺刀。其整体设计与M4刺刀相似，刀柄为塑料材质。M7刺刀全长300mm，刀身长170mm，使用1095碳钢制作。型号和制造商铭文刻印在护手上，与枪管连接的锁扣设置在刀柄尾端。锁杆向外伸出，与M4刺刀相比有所增大，即使戴手套操作也可以很容易地装卸刺刀。该刺刀采用M8A1刺刀鞘，刀鞘整体设计变化不大，但为防止破损，在刀精尖端部分设有一个金属帽，这也是辨认M7刺刀刀鞘的一大特征。

M16A1、M16A2、M16A4等维护用的附品都装在一个附品袋中，并贮存在枪托内。M4和M4A1卡宾枪的附品必须另外携带。M16A2的附品与M16A1大同小异，主要包括：1.枪膛刷2.弹膛刷3.清洁刷（称主牙刷）4.附品袋5.油壶6.通条的把手7.弹匣8.通条9.背带10.通条的膛刷连接段。

1980年，比利时的SS109弹被选定为第二种北约标准弹。但要让SS109的性能得到完全的表现，枪管必须使用1/7的膛线缠距，原有的1/12缠距会由于没有足够的稳定性而使它的有效射程降低到90米。其实SS109弹头的最佳缠距应该是1/9，之所以采用1/7是为了让较长的L110曳光弹（SS109同型曳光弹）也有足够的稳定性。这种曳光弹的有效射程比现有的M196曳光弹（M193同型曳光弹）超出450米，可达800米外。所以当美国陆军选定了比利时弹作为新的制式弹后，就必需装备新步枪。同时，美国海军陆战队正根据M16系列自动步枪A1在部队使用的十几年来的意见也对M16着手改进并试验。

由海军陆战队主持改进的M16A1被命名为M16A1E1，柯尔特公司的型号为645型。M16A1E1较之原来的M16A1有如下改进：改用比利时SS109弹，膛线缠距由12英寸改为7英寸，理论射速达到700~900RPM；在护木前方的枪管外直径加粗到18.5mm，接近消焰器直径，以增加枪管的抗弯曲性能，减缓了持续射击时的升温，提高单发精度，枪管因此加重170克，在护木内的枪管直径与M16系列自动步枪A1的相同，这是为了兼容原有的M203榴弹发射器的安装（就是说不打算改装或购买能安装于厚枪管上的榴弹发射器）。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，而且新枪托更加坚固耐用；原来A1式的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，新护木不但让手掌较小的射手也容易掌握，而且上、下两半的完全对称的，所以在军械库存放的备件不必再单独区分左护木和右护木；原直径2mm的孔改为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，为充分利用SS109弹的弹道特性使照门高度可调到300~800米。取消了枪口消焰器上的一个向下的开孔，以减少卧姿射击时的枪口扬尘；抛壳口后面增加了一块凸起的弹壳偏向装置，阻止弹壳后抛，左手射击时弹壳不会打到脸上；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。

柯尔特公司制作了一批M16A1E1，在1981年交付给海军陆战队。美国海军陆战队在1981年夏季期间对M16A1E1进行了非常彻底的测试，根据他们的反馈，柯尔特对M16A1E1作进一步的改进，最终确定了生产定型的701型。柯尔特701型在1982年9月被美国军队定型为M16A2，同时把在美国生产的SS109弹定型为M855，把L110弹定型为M856。但直到一年后，即1983年11月20日M16A2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M16系列自动步枪A2，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。

此外，M16A2还有一款全自动型号，称为M16A2E3，海豹突击队曾装备过这种武器，后来美国海军把M16A2E3定型为M16A3。不过M16A2E3更多是用于出口，例如以色列国防军装备了不少。

M16A4的前身其实是1994年开始试验的M16A2E4，但当时的M16A2E4只是平顶机匣式的M16A2，其外观和柯尔特的商业型M16A3（910型）相同，但不能连发。在1997年M16A2E4开始配上KAC公司生产的XM5 RAS导轨护木。其后，装配上RAS的M16系列自动步枪A2E4被正式定型为M16A4，而XM5 RAS也正式改称为M5 RAS。M16A4采用3发点射，M16A4上的单发/点射机构也是M16A2的点射棘轮机构。M16A4的瞄准设备包括AN/PEQ-5激光指示器、M68近战光学瞄准镜（CCO）、全息衍射镜（HDS）和AN/PVS-14夜视瞄准系统等。

 M16A4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MIL-STD-1913皮卡汀尼导轨，可安装瞄准设备或可拆卸提把。枪机和其他M16系列自动步枪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。美国陆军和海军陆战队的M16A4均采用KAC公司的M5 RAS护木，可安装直握把、激光指示器、战术灯和其他配件，护木内侧有铝制的隔热屏。固定式枪托后部可装擦拭工具。由于完整的M16A4系统并不只是一支枪，还包括一堆安装在皮卡汀尼导轨上的可选配件，因此在美国陆军野战手册中，M16A4也被称为M16A4 MWS，即模块化武器系统。

随着M16系列自动步枪A2的研制成功，美国军队也开始考虑为世界十大特种部队研制发射SS109/M885弹的新型卡宾枪。就像M16A2一样，这种新型卡宾枪也是根据海军陆战队的需求而在1983年开始设计的。当时海军陆战队的远征军直属侦察连和装甲车组成员正式装备的小型肩射武器只是M3A1，海军陆战连认为应该为这些人提供一种卡宾枪。最初柯尔特公司为海军陆战队研制的M16A2卡宾枪基本上只是把M16A2上的改变应用到653型卡宾枪上，即更换了1/7缠距的14.5英寸（368mm）重型枪管，改用M16A2消焰器，用3发点射代替全自动射击，改用M16A2的机械瞄准具。这种M16A2卡宾枪在1985年完成设计，柯尔特公司的型号编号为720型，而在军方的测试计划中称为XM4。但国会否决了海军陆战队的XM4采购预算，结果远征军直属侦察连不得不采用海军的HK MP5N冲锋枪来代替老旧的M3A1冲锋枪，而其他的美国军队世界十大特种部队则在1988年开始使用的RO727等其他M16A2卡宾枪。

美国陆军的试验与鉴定司令部（TECOM）在1986年4月重开XM4卡宾枪的研制工作和第2阶段试验。经过进一步试验和改进后，XM4在1991年3月被正式定型并命名为“美国5.56mm北大西洋公约组织口径M4自动步枪”（The United States Carbine, Caliber 5.56mm NATO, M4）。M4与其他M16A2卡宾枪最明显的区别特征是其枪管在距离准星座前25mm的位置上加工了一个缩颈的形状，这是在后来的试验中为了挂装M203榴弹发射器而作出的改动。为了能够挂装原有的M203榴弹发射器，M16A2在护木内的枪管直径与M16A1是相同的，但卡宾枪的护木较短而护木外又采用M16A2式的厚枪管，因此柯尔特的工程师就在护木外的枪管中段加工了这个缩颈，这样就能挂装M203榴弹发射器。固定枪托也能装上去用，但在美国军队中并不常见有这样做的。

M4自动步枪还把原本只有两个固定位置的伸缩式枪托改为有四个固定位置，再后来又改为六个。另外M4的照门虽然是M16系列自动步枪A2式的，但表尺最远只可调到600米，而非M16A2的800米。由于下机匣是M16A2的，因此射击方式为半自动步枪和三发点射。由于M4和M16A2非常相似，事实上它们有80%的零件可以互换，因此最初也称为M16A2卡宾枪。M4首先装备82空降师，用于取替M16A1/A2步枪、M3A1冲锋枪和车辆驾驶员使用的部分9mm手枪，1994年正式列装。

M4自动步枪首次参加实战是在1991年的海湾战争，战争爆发前美国军队突然发现他们缺少新步枪，许多部队仍在使用M16系列自动步枪A1，而M16A2只是在1986年才开始陆续装备，有许多部队还没有完成换装。由于需要尽快获得大量的M16A2和M4，因此美国国防部批准增加M4的供应商，缅因州的大毒蛇轻武器公司（Bushmaster Firearms）获得一份供应M4卡宾枪的采购合同，并为陆军供应了4,000支M4，这批枪在“沙漠盾牌”和“沙漠风暴”期间被美军第82空降师使用。

2019年12月，俄罗斯工业技术公司（“Promte chnology”）称，该公司在美国AR-15突击步枪（美国军队所用M16步枪的民用型号）的基础上研制了一款使用7.62x39毫米口径子弹的步枪。俄罗斯工业技术公司主要生产ORSIS系列高精度步枪和卡宾枪。以美国AR-15步枪为基础研制的俄版7.62x39毫米步枪已经进行了测试。俄版所用子弹的重量是美国5.56毫米子弹的两倍，因此俄版步枪在所有实际射击距离上都拥有更强的能量。与美国的AR-15步枪相比，重量参数和后坐力参数没有增加。他们还研发了具有自动射击能力的军用版本，这种新口径的步枪是在莫斯科生产的，并配套提供自己生产的ORSIS高精度枪管。与美国制造的原型步枪相比，ORSIS枪管大大提高了产品的准确性和使用寿命。当年9月份，俄罗斯工业技术公司就已经开始批量生产RSIS-AR15J步枪。

在上世纪60年代的越南战争中，AR-15成为美国军队的标配，并被命名为很多人耳熟能详的M-16。美国国防部曾在一份内部报告中将其称赞为“一种具有惊人杀伤力的杰出武器”。

在阿富汗战争中，配备M4自动步枪的美军在阿国执行军事任务。

2003年伊拉克战争开战前，美军紧急运送了31,000把M16A4到伊拉克，用以替换美军装备的M16A2。

2012年12月14日，在康涅狄格州桑迪胡克小学枪击事件，AR系列步枪夺去了27条生命。

2016年6月12日，在佛罗里达州奥兰多的夜总会枪击事件，凶手使用AR-15造成49人死亡。

2017年10月1日，在拉斯维加斯60人被AR-15枪击致死。同年11月5日，得州萨瑟兰斯普林斯的教堂枪击案中，AR-15造成26人死亡。

2022年5月24日，在得州乌瓦尔德市罗布小学发生大规模枪击事件中，凶手使用AR-15造成21人死亡。

当地时间2024年7月13日，美国前总统唐纳德·特朗普在宾夕法尼亚州的竞选集会上演讲时，遭一名白人男性枪手使用AR式步枪刺杀。事发时，枪手在集会会场旁的一栋楼上、距离特朗普约180米至275米处，用AR-15型半自动步枪向特朗普的演讲台发射多达8发子弹；之后，该男子被特勤局反击小组成员开枪击毙，刺杀未遂。截至2024年7月13日，特朗普在就医后出院。7月16日，美国总统约瑟夫·拜登呼吁禁止AR-15。