1965年當M14隨著美國部隊到了越南，某些使用上的瑕疵開始變得明顯。陸軍在通過將近20年的實驗之後，發展了很長一段時間才得到M14的設計。雖然M14可能是M1式加蘭德步槍的良好替代品，但是它並不是好的M1/M2/M3的替代品。
M14在狹窄地區或者叢林地區會顯得非常笨重而不能有效發揮作用，即使它比很多專為狹區作戰的設計的槍支還是要輕點。其彈藥比30-06要輕，也就意味著巡邏時可以攜帶更多的子彈，但還是比30卡賓槍子彈要重，因此彈藥攜帶量仍然有限。全自動射擊經常被批評成浪費彈藥，並且槍彈威力大，在全自動射擊時後坐力使射手不容易精準射擊。因此逐漸的步槍都被鎖定成半自動射擊模式。
最後，陸軍花費了相當的時間和金錢將一種半自動槍械改成另一種具有長使用壽命但是很小的武器。它很快會被取代，即使這看起來像是內部政治鬥爭的結果。
在M14設計的保衛戰中，由加蘭德步槍發展而來的M14要更可靠。當M16正在進行TCC以及許多項改進以增強其可靠性的時候，M14越來越不受關注了，它不適合叢林環境作戰。
同時部隊也在瘋狂的嚐試在麵對蘇製AK-47時增加他們自己的火力。他們臨時拚湊使用任何他們能找到的武器，例如前二戰武器湯普森衝鋒槍。
在越南戰場上的美軍迫切地需要一種新的輕便的步槍，在未完成充分試驗的情況下，XM16E1被大量的生產，但是很快就獲得了很差的評價。從1966年秋天開始，越南戰場上頻頻傳出出現故障的問題。
對於XM16E1，五角大樓下令將其子彈的發射藥由單基管狀裝藥變成更精細的雙基球形裝藥。這增加了開火的全自動射速，而且使得槍的部件鏽蝕得更快，也增加了汙垢，經常出現卡殼和斷殼現象。
這個簡單的改變導致的一些問題被譴責。射擊中斷故障通常是因為生鏽的彈膛或發射藥殘渣，差的維護，磨損的部件，或者是這些因素的全部。對於變得更肮髒，解決的辦法就是重新設計緩衝器來減少循環射速，而部件損壞率因此變回正常水平。作為一種遺留下來的東西，球狀裝藥今天仍然被用作配發彈藥。
槍機輔助閉鎖裝置是出於因為某種原因在緩衝器彈簧不能使槍機成功複位而無法閉鎖的情況下，可以手動完成槍機複位閉鎖。這個位於機匣右側的活塞狀的槍機輔助閉鎖裝置是XM16E1與M16的明顯區別。
柯爾特公司，空軍，海軍陸戰隊和尤金·斯通納都認為沒有必要增加這個複雜裝置，還因此增加了4.5美元的步槍采購成本，又沒有什麼實際好處。但是三年之後，1967年2月28日，陸軍訂購了84萬支這種版本的步槍，就是後來所稱的M16A1.
柯爾特公司過分誇大了M16測試中體現出來的可靠性，他們宣稱這種槍從來不用被清洗。雖然這種說法可能對於原本配套的IMR裝藥是正確的，但是對於更加精細的，燃燒更快的，比較肮髒的球狀裝藥來說可不是。直接推動機框的氣體操縱係統使用槍管頂部的導氣管將氣體導出到槍機後部和機框凹進處之後的“活塞室”裏麵。當燃燒的氣體來到這個區域，它們驅使機框向後移動，然後將多餘的氣體經由拋殼窗以及槍機框頂部的氣鍵和槍管裏的氣管之間的空間排出。傳統的設計將活塞保持在槍管的上方或下方，然後從那裏排出多餘的氣體。
斯通納係統的優點是槍機和槍機框形成的“活塞”是在一條直線上運行，同時與槍膛處在同一條軸線上。因此，當槍機框移動的時候，槍膛的軸線也不會反向移動。消除單獨的活塞也使得操作變得容易，因為活動機件更少了。
這個設計的缺點是它會將火藥氣體直接送到後膛，很容易在槍機組件內積碳。因此，M16需要經常清洗和潤滑來保持其可靠性。
更糟的是，部隊被告知，因為它是劃時代的武器，因此它不需要清洗，從而也沒有配備清洗工具。結果，在戰場上M16經常發生卡殼、槍膛嚴重汙垢、槍管與槍膛鏽蝕、拉斷彈殼、彈匣損壞等故障。
士兵們經常譏笑這些是一“玩具槍”，還用一句話來形容發生故障的槍：“你可以叫它‘Mattel’（美國著名的玩具廠商）”。這句話後來演變成了一個民間傳奇，內容就是第一批M16是部分或全部的由玩具業巨人製造的。
在陸軍和政府內部，關於M16的爭論再一次發生了。斯通納的最新設計，一種被叫做斯通納63的武器係列，被送到越南做測試。而SPIW鏢彈武器測試計劃也再次被啟動。幸運的是，冷靜的頭腦占據了主導地位。
一個由國會組成的委員會於1967年報告：“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。”
M16的清洗工具被迅速的生產出來。一本漫畫維護手冊也在部隊中流傳來展示M16正確維護的方法。可靠性方麵的毛病迅速的消失，雖然對槍的負麵評價並非如此。但是這對於一找到M16就開始使用它的北越南軍隊來說並不是這樣的。
也許M16A1最重要的改動就是引入了在槍膛中鍍鉻以及不久之後在槍管上也鍍鉻。這個改進在最初的SALVO項目測試裏就已經提出了，但是之後被否決了，因為在實際上效費比不高。在當時，沒有一種可靠的方法可以在一根224英寸直徑的槍管裏鍍上鍍鉻。鍍鉻的真正價值在於防止槍管內部生鏽。
作為一個接近直牆的內室，最少量的鏽粉，生鏽的黃銅，沙，汙物，鏽點蝕，甚至標記用的油漆粉末都會導致摩擦力呈指數增長。士兵們在戰場上發現第一發子彈發射出去會在槍膛中產生阻塞。
這是因為粗糙的槍膛，約翰遜/斯通納式槍機固有的缺少預抽殼動作，以及5.56子彈相對較小的錐度的聯合作用。鍍鉻不但能防止生鏽，還能減少摩擦力。沒有進入槍膛的汙垢被壓到發射後的彈殼，並隨著它一起被排出。
在經曆了坎坷的起步之後，M16已經證明它的可靠性能夠達到使用要求。在1967年年末，當部隊被要求的時候，隻會拿他們的M16來換取XM177，後者是同一種武器的卡賓槍版本。
輕型彈藥也是在步槍領域中引起大量爭論的一種事物。“大威力子彈”的概念即使過了好多年也沒有消亡，而增大口徑的要求一直延續到1980年代。大部分爭論都集中在蘇聯使用的StG44式樣的7.6239毫米子彈，這已經比他們戰時用的“全威力”7.6254毫米設計縮小了。
那些“小口徑”陣營的人相信，在1970年代，當蘇聯采用了一種類似（或更小）的子彈，尺寸5.4539毫米，新的蘇聯子彈具有更先進的設計，縮短槍管膛線纏距，使彈頭轉速高，其他采用的理由包括更輕的重量，小的後坐力，全自動射擊中更高的散布精確度，更遠的射程，更平的彈道，以及最後想要與美製槍械保持同步的願望。這裏麵的許多優點也用來描述M16.
北約標準化
1970年3月，五角大樓震驚了北約其他國家：所有隸屬北約的美國部隊必須裝備M16A1.英國軍方對於美國軍械部人員20年前強製要求北約使用7.62毫米口徑彈作為標準彈藥高調表示不滿，因為英國人的280口徑（7.1毫米）彈藥曾被美國認為威力不足，而現在他們被告知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彈藥的北約標準化。
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劃很快啟動，在1977年關於不同彈藥的測試正式開始。美國提供了他們最原始的設計，M193，而且沒有進行任何改動。然而有許多人擔憂其麵對越來越多被使用的防彈衣時的侵徹力。
英國推出了一種改進的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，也有更強的穿透力，能夠射600米遠，符合他們對於班用自動武器（小型機槍）的要求。
德國開發了一種新的4.7毫米無殼彈藥，可以與美國原本的設計提供相似的彈道性能但是重量輕巧很多。然後，對於這種武器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SS109，一種同樣基於美國子彈的彈藥，以及同樣是5.56毫米口徑的新子彈，但是具比較重的有尖的鋼彈頭以增加侵徹力，有效射程比M193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，為了發揮SS109的全部性能，槍管需要使用七分之一英寸纏距的膛線，而現有的十二分之一英寸纏距的膛線因為不穩定性隻有90米的有效距離。
SS109所需要的最佳纏距是九分之一英寸，但是使用的是七分之一英寸的纏距為了令更長的L110曳光彈穩定。這種曳光彈設計成改進彈道性能以及增強的射程。之後的M196曳光彈（與M193球狀裝藥配套）有450米的有效射程，而L110的有效射程是800米。
最終，美國陸軍選定了比利時彈作為新的製式彈，這兩個彈藥都需要全新的步槍。在1982年應運而生的M16A2，從那以後成了美國的標準軍用步槍。為美國生產的北約標準的彈藥被稱為M855，使用SS109類型的發射具的球狀裝藥，以及M856，使用L110類型的發射具的曳光彈。
結構
M16的機匣是由鋁合金製成的，槍管，槍栓和機框是鋼製的，護木，握把，以及後托都是塑料做的。早期的型號特別輕巧，隻有2.9千克（6.4磅）。這是遠遠比1950年代和1960年代的7.62毫米戰鬥步槍要輕的。即使與裝滿彈藥後5千克的AK-47相比也還是很占優勢的。
M16A2和之後的改型重量有所增加（8.5磅，或3.9千克，裝滿彈藥時），因為它們采用了加厚的槍管。厚槍管對於因操作不當引起的損害更加耐久，而且它也減緩了連續射擊時的過熱，適合持續射擊。不同於傳統的從頭到尾都很厚的“公牛”槍管，M16A2的槍管隻是護木之前的部分比較厚。護木下的槍管部分和M16A1是一樣的，以兼容M203榴彈發射器。整支步槍有40英寸長（1.02米），以及20英寸（508毫米）的標準槍管。
斯通納在AR-10原型槍上試驗了薄鋼槍管襯套並加以鋁質隔熱屏以減輕重量。但是在斯普林菲爾德兵工廠的一次測試中一根槍管發生了爆裂。斯通納認為這個測試是被非法操縱的。
一個明顯的人體工程學的特征，是在槍機正後方的一個塑料製的包含金屬的複進簧的槍托。這個同時起到容納複進彈簧和後坐力緩衝的作用。
槍托與槍膛在一條線上能夠減少槍口上跳，特別是在全自動射擊模式的時候。由於後坐力不會使準星發生明顯的偏移，使用者的疲乏程度會減輕。另一個人體工程學的特性是槍口製退器上方的以及攜帶提把之上的主瞄準具。
新的型號（M16A4）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帶提把，瞄準係統，或者各種光學設備，例如夜視鏡。
M16使用直接推動機框的直接導推式原理，槍管中的高壓氣體從導氣孔通過導氣管直接推動機框，而不是進入獨立活塞室驅動活塞。高壓氣體直接進入槍栓後方機框裏的一個內室，將機框帶動槍機後退。這使得單獨的活塞室和活塞不再必要，從而減少了移動部件的數量。在快速射擊中這也通過保持往返運動的部件與槍膛在同一直線上而提供更好的性能。
直接導推式的氣動方式的主要問題在於火藥燃燒後剩下的汙物和殘渣會直接吹到後膛裏。當過熱的燃燒集氣體沿著管壁向下流動的時候，它會膨脹然後冷卻，而不像氣溶膠那樣能夠在降壓的時候冷卻。
該冷卻使得已經氣化的物質冷凝，並因此而使一個體積大得多的固體凝固，恰好在槍擊的活動部件上。反過來，導氣活塞的工作在極短的時間內使用高壓氣體並使他們遠離後膛。因此，比起使用導氣活塞的槍來說，M16需要更頻繁的清潔和潤滑來保持穩定工作。
彈匣卡榫在步槍的右側，位於扳機護圈的前方。當前的軍用彈匣的子彈容量為30發，而越戰的時候隻有20發（30發的彈匣直到戰爭後期才開始研製和生產）。
配件市場上的雙彈夾並聯器是可以選擇的，但是軍方當局不鼓勵這麼做，因為有可能增加彈匣頂部受損或者弄髒的機會。但是，2004年伊拉克戰場的圖片顯示，特種部隊和其他主要部隊在采用雙彈夾並聯器方麵很迅速。
M193和更新的M855（SS109）彈頭在穿過軟組織的時候通常都會碎裂。當從不到一百米的距離射擊時，這些子彈在其偏轉90到180度之前會貫穿人體內部100毫米（4英寸）。
當側力作用在子彈上的時候，它就會碎裂而一分為二。這發生在脆弱的子彈槽線上，而子彈槽線是一個深溝來將彈殼密封到銅套裏麵。然後，5.56毫米彈頭的後段就能裂成很多細小的碎片，而對周圍的組織造成更大的傷害。碎裂所必要的速度大概是823米（2700碼）每秒。
美國軍隊通常不會配發全自動類型的M16步槍。雖然它的後坐力已經很小了，但是準星還是會因連發射擊時都會偏移得厲害。全自動武器會因此變得非常不精確，還會浪費大量的彈藥。30發彈匣不適合用在持續射擊裏，不像重機槍使用的彈帶給彈係統。
M16的輕量級的槍管在全自動射擊中很快就會過熱。理論上來說，機槍是提供壓製性火力的，而移動性更強的步槍從側翼包圍並提供點射火力。某些為狹區作戰而優化的M4的改型，是適合進行全自動射擊的，因為這在空間有限的狹區內更有意義。