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如何才能设计出防护性能更好的战斗防弹衣。ORO通过询问参加过朝鲜战争的士兵开始了他们的研究项目，第602步兵团约87%的士兵接受了询问，其中95%的受访士兵表示：受地形及其他环境因素的制约，他们的射击目标的距离通常是在300码以内，而大多数的报告指称他们所能射杀的目标距离都小于100米。研究中也发现不经过瞄准的条件反射式射击和通过瞄准的射击同样可以将敌人击伤或杀死。通过这些研究发现，ORO认为.22口径步枪的射弹在300米射程内有相当理想的散布精度。这项著名的研究结果出于保密原因而被封存起来，而同时陆军的军械人员则被英国同行关于.28和.30口径子弹的优点所说服。注意，ORO的研究结果实际上跟德国人十年前研制的7.92mm×33短弹的原理相同。根据这些研究结果，军械工程人员于1953年至1957年之间实施了“齐射计划”(SALVO)。

　　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。

　　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后便开始设计步枪。当时他已经设计了一些产品，但还没有达到商业上的成功，他最新的设计叫做AR-10，与T44E4和T48步枪一起进行对比测试。AR-10是一种7.62mm NATO口径的步枪，虽然无法与前述两种步枪直接竞争，但两年后有少量AR-10卖到其他国家，如苏丹和葡萄牙。但是AR-10已经引起美国陆军的威莱德.G.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。新的设计要符合下列各项要求，不过只有最后一项要求部份地符合了ORO的研究结果：

　　有20发容量弹匣。

　　装弹后重量少于6磅。

　　能选择射击方式。

　　一发子弹能500米射程上穿透标准钢盔、防弹衣或3.4mm厚的钢盘。

　　根据这些要求，斯通纳开始工作。为了符合500米标准的要求，斯通纳要求雷明登公司（Remington Arms Company）改进他们的初速3300英尺/秒的55格令的.222雷明登枪弹。研制出来新型的弹药就是著名的.223雷明登口径弹，斯通纳开始了研制步枪的工作。他的第一个样枪是只能全自动射击的，然后他开始设计缩小型的AR-10。

　　新的斯通纳步枪把许多其他步枪的设计思想和细节集合起来而成的一项设计：M1941约翰逊步枪的闭锁装置，FAL的机匣盖和枪尾，T-25的枪管同轴直枪托，瑞典M42 Ljungman步枪的导气系统但取消了几个活动零件使步枪操作更简单及生产成本更低。新的弹药允许步枪使用铝合金和塑料，斯通纳的新步枪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，而阿玛莱特公司也没有给枪膛镀铬的能力，但是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有很大的好处，因此军队宣布从M14步枪开始，以后生产的步枪都应镀铬。斯通纳研制AR-15的弹药时，采用了众所周知的IMR发射药，使用IMR发射药令AR-15的可靠性提高，但军方却改用生产成本低弹道特性完全不同的球型发射药。AR-15原型最大的问题是军方只进行了9个月的不完全测试，直到1958年3月31日，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，但AR-15的设计被证实是运作正常的，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。但是稍后的测试中暴露了一些问题。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。当斯通纳明白到的时候，他的步枪在军方进行的极地环境可靠性测试中出现了很大的问题。斯通纳到阿拉斯加研究问题的所在，他询问了AR-15的军方测试人员，他们说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，要求重新测试审核。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——军火部门说是最佳的弹药的话可能更合适。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。为了偿还1.45百万美元的研制费用，仙童公司在1959年12月把AR-15的专利权以现金75,000美元和4.5%提成卖给柯尔特公司（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，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，柯尔特公司尝试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.E.李梅（Curtis LeMay）将军，当时的空军副参谋长。在1960年6月4日，看过AR-15示范后的李梅将军确定采购8500支步枪以替换战略空军司令部岗哨所装备的M2卡宾枪。柯尔特公司同样去影响远景研究规划局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）。ARPA认为AR-15很适合，在1962年初夏为南越军队采购了1000支步枪。在“火之审判”时期，为南越军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一次行动中……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全自动射击，第一个点射就有三发子弹命中一名越共，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，产生一个直径五英寸的大洞……这三发子弹中的任何一发所造成的创伤都足以至死的。

　　ARPA的报告指：通过对AR-15和M14的成本效益研究表明，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。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）M14、AR-15和AK-47。陆军的测试报告认为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。在政治上获得强势支持后，麦克纳马拉在1963年1月23日命令M14停止生产。在1963年11月4日，柯尔特公司获得一份生产合同——陆军购买85,000支XM16E1、空军购买19,000支M16。1964年陆军开始一项新的研究计划“轻武器系统”（Small Arms Weapons Systems，SAWS），该计划是研究1967年至1980年期间适合陆军需要的武器，这项新的研究计划对于已被正式称为5.56mm M16的AR-15十分有利。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。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，一些主要的问题暴露出来，如导气系统没有相应的维护装置，由于对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。

　　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且没有清洁装置或适合的润滑物，因此很难迅速地使步枪恢复正常使用状态。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。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的全自动射速每分钟在850-1000发，大大地超过正常状态下的每分钟750-850发。再加上装备M16的军队缺乏必要的训练和指导使M16在战斗中出现了很多喜剧性的问题。

　　一个由国会组成的委员会于1967年5月15日开始着手调查有关的问题，首席代表是密苏里洲的民主党员理查德.伊萨霍特（Richard Ichord）。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，AR-15所使用的M193弹药中易引起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。再研制一种新的较重的缓冲装置能把射速降低至正常状态，设计一种维护工具以及新枪托，使清洁工具能贮存于步枪内。最后，还要制订一项关于“应该如何正确地维护M16”的庞大训练计划并印制一份连环漫画式的步枪维护手册，这是关于操作性问题的最终解决方法。而下一个最迫切的问题，是如何把更多的步枪交到正需要它们的步兵团的手上。于是又增加了两个承包商，哈灵顿与理查森公司（Harrington & Richardson）和通用汽车公司的Hydramatic分部（Hydramatic Division of General Motors Corporation）都获得了M16/M16A1的生产合同。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。

　　当美国深深地陷入越战的泥潭中时，出现了几个M16的衍生型，包括一种短命的狙击步枪。例如在1965年初，柯尔特公司的工程师首先设计了一种M16的卡宾枪型，称之为CAR-15，采用轴套式伸缩枪托和一根10英寸（254mm）长的枪管，用长长的消焰/制退枪口装置来抑制巨大的枪声和枪口焰。没有枪机辅助闭锁装置的空军型号称之为XM177，而陆军型称之为XM177E1，在战斗中使用过这种试验步枪，表现很好，特种部队尤其喜爱它重量轻的优点。后来的使用中发现弹道性能表现得不太稳定，因此枪管被加长到11.5英寸（292mm），并重新命名为陆军的XM177E2和空军的GAU-5/A/A（没有枪机辅助闭锁装置），但是这个型号最后被认为不完全适合军事用途而停止再一步的改进。

　　使用M16/M16A1的士兵在越南战争后期的表现中并没有出现什么问题。而且在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。差不多二十年前英国军队曾强烈地反对美国军械人员把7.62mm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，而现在美国陆军却要求采用一种更小的子弹！！！

　　M16/M16A1枪族另一个主要的设计变化发生在1980年后期。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，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。它的优点是有效射程比美国的M193弹更远，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，美国军队决定尽快改变膛线缠距并改进M16/M16A1的一些不足，新的设计包括有下列的变化：

　　枪管膛线缠距为1:7，并加粗枪管直径使之接近消焰器直径。

　　更坚固耐用并符合人体工程学的枪托。

　　护木改为可以互换的上下两半式，而非原来的左右两半。

　　照门的风偏和高低可调。

　　重新设计消焰器以抑制枪口上跳及减少射击时的扬尘。

　　全自动射击模式改为三发点射，以便在战斗中节约弹药。

　　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。此时陆军中的部分人正试图说服相关部门不采用M16A2，虽然他们也承认大量的M16A1在长期使用和训练后已经很耗损严重了，但最后，陆军还是在1985年采用了M16A2。在1980年代后期，美国将M16A2的生产合同判给FN美国公司。

　　在巴拿马、波斯湾和索马里的军事冲突之后，又出现了一种比较短的M16A2型号。柯尔特公司的工程师把枪管弄短至16英寸，枪管上增加了一个缩颈用以挂装M203榴弹发射器，早期XM177系列的伸缩枪托。他们也在一个子变体上设计了一个新的机匣盖以安装模块化的瞄准系统。在1994年8月，所有的改进都被采用，美国5.56mm北大西洋公约组织口径M4卡宾枪（The United States Carbine, Caliber 5.56mm NATO, M4）采用新枪管和伸缩枪托，尽管新的模块化机匣已经生产了，但首先装备的M4仍然是带瞄具提把的标准M16A2机匣，M4的射击方式为半自动和三发点射。美国5.56mm北大西洋公约组织口径M4A1卡宾枪（The United States Carbine, Caliber 5.56mm NATO, M4A1）采用新枪管和伸缩枪托以及新的机匣盖以安装多种瞄准装置，包括夜视瞄具和红外激光瞄具，或安装在可卸提把上的标准瞄具，M4A1能进行全自动射击，像M16A1。M4和M4A1由柯尔特公司和大毒蛇公司（Bushmaster Arms）生产。后来，军队又得到M16A3和M16A4。M16A3和M16A4都和M16A2一样，但是两者均有模块化机匣盖。M16A3能全自动射击，像M16A1，而M16A4则使用M16A2的三发点射装置。另外，也因应模块化机匣盖研制了几种类型的光学瞄准装置。新的瞄准装置包括近距离战斗用的“红点”瞄准镜，很像民间的IPSC类比赛用的快速瞄准镜，另外还有使用红外热成像的瞄准镜，在夜晚通过人体的热量显示目标。

　　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Ia Drang山谷中的战斗，而且表现得相当好。哈洛德.G.摩尔.朱利奥尔（Harold G. Moore Junior）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”。但是当M16配发的数量增加时，关于战斗失败的报告也是这样写的。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步枪——M16。实际上我们发现几乎每个人的死的时候都在处理他的步枪——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，五角大厦发现后不让她公开这些照片。他们说他们不希望影响美国公众的情绪。这不是很可笑吗？”

　　由凯萨琳.利莱（Catherine Leroy）拍摄的照片在巴黎《竞赛》杂志上公开，一片哗然。但问题在六个月内就解决了，而且M16/M16A1的表现证明尤金.斯通纳设计了一把优良的步枪：粗犷、耐用、可靠和精确。现在M16系列又被美国被许多警察战术分队所采用，还有其他国家的军队也采用了，特别是加拿大还生产了他们的M16，称之为C7步枪。

　　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。它的新型号——M4/M4A1卡宾枪已经在美国的特种作战部队中服役了，特别是美国陆军的游骑兵、海军陆战队的武力侦察队和海军的海豹突击队。而陆军已经开始为主要的战斗单位像第82空降师和第101空降师全面装备M4/M4A1。M4/M4A1卡宾枪正在替换军队手中的M16A2和部分的M9 Beretta手枪，因为它的射程远杀伤力大而结构又比较紧凑。

　　根据目前美国的经济和政治状况，再加上苏联的瓦解以及国家安全威胁程度的降低，M16系列步枪的服役期一定会超过M1903春田步枪的纪录。