Командование материального обеспечения армии включило AR-15 в число первоочередных программ развития вооружения. В 1963 г. был решено произвести разовую закупку для войсковых испытаний (проект AGILE). Во Вьетнаме и на полигонах винтовка показала неплохие результаты на дальностях до 270 м – на этой дальности она поточности стрельбы в 1,2 раза превосходила штатную 7,62-мм М14 и расходовала в 1,5 раза меньше патронов на выполнение тех же задач. Кроме того, при равном общем весе 7,5 кг солдат мог нести М16 и 250 патронов к ней или винтовку М14 со 100 патронами. М16 стала первой принятой на вооружение штурмовой винтовкой малого калибра.
Кроме калибра М16 (AR-15) отличается от AR-10 следующим: рукоятка перезаряжания заменена двумя захватами в задней части ствольной коробки, цевье выполнено в виде двух половин (ствольных накладок) из стекловолокна, изменена конструкция затворной задержки и пламегасителя.
Надежность М16 оказалась низкой, часты были отказы. Стонером было разработано новое семейство стрелкового оружия «Стонер-63».
Все же решено было модернизировать M16, что и осуществили в 1967-69 гг. специалисты фирмы «Кольт» (приобрела права на производство AR-15 еще в 1959 г.), создав модель М16А1. От базовой она отличается наличием зубцов на правой стороне затвора и рамы и толкателя, которые служат для ручного возвращения затвора в переднее положение в случае его недохода или отскока. Кроме того, М16А1 имеет несколько больший вес, увеличенный – за счет укорочения хода затвора – до 950 выстр./мин темп стрельбы, большую надежность работы. Одновременно был введен секторный магазин на 30 патронов. В патроне заменили сорт пороха, что уменьшило разгар ствола и засорение газоотоводной трубки.
Кроме «Кольт Индастриз» к производству М16 по заказам министерства обороны США привлекались фирмы «Гидраматик Дивижн» (подразделение «Дженерал Моторс») и «Харрингтон энд Ричардсон».
Для взведения ударного механизма необходимо отвести рукоятку взведения назад за ее захваты в задней части ствольной коробки. Если магазин пуст, то подаватель магазина идет вверх и фиксирует затвор в заднем положении (кнопка затворной задержки находится слева впереди спусковой скобы). В противном случае она возвращается вперед, при этом затвор извлекает верхний патрон и досылает его в патронник. Затвор останавливается, когда патрон полностью вошел в патронник, но затворная рама продолжает двигаться, и вырезы в ней проворачивают затвор против часовой стрелки, а восемь запирающих выступов входят в упоры ствола. После установки переводчика вида огня в нужное положение и нажатия на спусковой крючок происходит выстрел. Шептало выходит из зацепления с вырезом на курке, курок, поворачиваясь, бьет по ударнику, который, в свою очередь, накалывает капсюль патрона. Когда пуля проходит дальше отверстия в стенке канала ствола, часть газов поступает в газовый канал и через газовый регулятор направляется к затворной раме. Роль поршня затворной рамы играет короткая трубка в ее верхней части. Под действием давления газов рама движется назад, поворачивая и отпирая затвор. После этого она захватывает затвор и продолжает откат вместе с ним. Выбрасыватель извлекает гильзу из патронника, подпружиненный толкатель отражателя на зеркале затвора выбрасывает ее в окно на правой стороне ствольной коробки. Затворная рама продолжает движение назад, сжимая возвратную пружину и взводя курок. Реакция амортизатора отдачи и разжимание возвратной пружины посылают раму вперед, цикл повторяется.
Ударно-спусковой механизм смонтирован в отдельном корпусе и допускает ведение одиночного и непрерывного огня. На левой стороне штампованной ствольной коробки над пистолетной рукояткой располагается флажковый переводчик-предохранитель. Курок имеет вырезы рядом с осью своего вращения, с которыми входит в зацепление шептало. Причем второй вырез, расположенный внизу, обеспечивает фиксацию курка подпружиненным шепталом разобщителя при стрельбе одиночными. В этом случае затворная рама отводит курок в заднее положение, разобщитель, под действием пружины, поворачивается вперед, и его шептало блокирует ход курка. Для производства следующего выстрела необходимо сначала отпустить спусковой крючок, в результате чего шептало разобщителя расцепляется с ним, а шептало спуска входит в зацепление с вырезом на курке. Этот процесс повторяется каждый раз в указанном режиме. При непрерывной стрельбе работа механизма отличается тем, что выступ переводчика блокирует разобщитель, который не участвует в процессе. Для предотвращения выстрела до запирания канала ствола курок удерживается шепталом автоспуска, которое выводится из заблокированного положения затворной рамой на последнем этапе ее движения. Если спусковой крючок отпустить, то курок будет удерживаться не автоспуском, а шепталом спуска.