1962年1月、AR-15はM16としてアメリカ空軍に採用され、空軍は再度8万丁の調達を申請した。当時呈されていた疑義に対して空軍が真摯に対応したことから、議会は今度はこの予算を認可した。また同時期にNavy SEALsも172丁を試験調達して好評価を与えた。陸軍は、1962年よりフレシェット弾を使用する新型歩兵火器（SPIW）の開発に着手していたことから、これと競合すると見込まれたAR-15の調達には慎重な立場を採っていたが、1963年には、SPIWの配備までの暫定策としてAR-15を導入することになり、5月よりXM16E1の部隊配備を開始した[2]。
設計 XM16E1をクリーニングするアメリカ陸軍兵士（1966年、ベトナム）
構成

上記の経緯より、先行するAR-10をもとに小口径化して開発されたことから、多くの特色を引き継いでいる。

重量軽減と耐腐食性のため、XM16E1では、レシーバーはアルミニウム合金（当初はNo.6061、1968年よりNo.7075）製とし、表面には陽極酸化処理とパーカライジング加工を施した。ただし銃身やボルト、ボルトキャリアーなどの内部機構は鋼鉄製とされた。また銃床やハンドガード、グリップはGFRP製とされ、銃床内部には発泡プラスチックが充填された。構成部品数は約100個であった[2]。

銃床の内部には、作動時に後退するボルトキャリア後部・バッファーリング・スプリングを収納するために、リコイル・スプリングガイド（リコイル・バッファー）が収納されている。このため、カービンモデルでも側面への折りたたみ式の銃床を採用できず、伸縮式の銃床が採用された。またM16A1の途中から、銃床内部にクリーニング・キットの収納スペースが設けられた[2]。

動作方式はダイレクト・インピンジメント式（ガス圧直接利用式）とされた。前部照星の根部から上部レシーバーにかけて、銃身上部に沿うように細いステンレス製のガスチューブが伸びており、ボルトキャリア上部のチューブ型のガスポートに接続されている。発射ガスはガスポートからボルトキャリア内のガスチャンバーに導かれ、その膨張する圧力でボルトキャリアが後退する[1]。ボルトには8個のロッキング・ラグが放射状に並んでいる[2]。

銃身にクロームメッキを施せば耐久性が向上すると提案されていたが、コスト面の問題から当初は採用されなかった。その後、まず1967年5月から薬室と撃針に、そして1971年からは銃身にもクロームメッキが施されるようになった。逆にボルトは、当初はクロームメッキ処理されていたが、1967年以降はパーカライジング処理となった[2]。
操作 STANAG マガジン
左が20発用、右が30発用(ただし写真の30発用はHK416の物) M16のピープサイトの使用方法

安全装置を兼ねたセレクターがSAFE位置にあることを確認し、弾倉を銃のマガジンハウジングにさしこんで固定させたあと、リア・サイト下にあるチャージングハンドルに指をかけて後端まで引くとボルトキャリアが後退し、同時にハンマーが起こされる。チャージングハンドルにはロックがあり、指をかけた状態でないと引けない。指を放すとチャージングハンドルとボルトキャリアが前進し、その際にチャンバーに初弾が装填される。弾倉が空のときチャージングハンドルを引くと、ボルトキャッチが作用してボルトキャリアが後退したままの位置で保持される。チャージングハンドルはボルトキャリアの位置に関係なく、放せば前進した定位置にもどる。この状態では弾倉交換後、銃の左側面にあるボルトキャッチを押すとボルトキャリアが解放されて前進し、初弾の装填とボルトの閉鎖がおこなわれる[4]。

右手でグリップを握った場合、親指の位置にセレクターレバーがある。SAFE（安全）、SEMI（半自動・単発）、AUTO（自動・連発）またはBURST（3点射）と切りかえることができる[4]。

右側面にある排莢口のダストカバーはボルトキャリアが動くことで自動的に開くため、通常は閉めておいても良い。分解清掃をしないまま射撃を続けるなど、酷使によりボルトの不完全閉鎖が起こった場合には右側面のボルト・フォアード・アシスト・ノブを押すことでボルトを前に押し込むことができる。全弾発射されるとボルトが後退位置で保持されるので、右側面のトリガー・ガード前にあるマガジン・キャッチ・ボタンを押しながらマガジンを抜く[4]。

サイトの高さ調整はフロントサイトでおこなう。弾丸の先の尖った部分でスプリングピンを押し下げながらフロントサイトを回転させることにより高さ調整ができる。左右の調整はリアサイトで行い、同様に弾丸の尖った先でスプリングピンを押しながら回すことで調整する[4]。

リアサイトはM16ではL字型の孔照門タイプで、近距離（0 - 300 m）用と遠距離（300 - 500 m：Lの刻印が孔の下にある）をどちらかに倒すことで距離を選べる。M16A2では近距離（0 - 200 m）用と遠距離（200 - 800 m：Lの刻印が孔の下にある）をどちらかに倒すことで距離を選べる。微調整はサイト下のレンジ・アジャスティング・ドラム（調整用ダイアル）でおこなうこともできる[4]。

冬季作戦のように厚いグローブを着用しているときは、トリガー・ガードの前側にあるロックボタンのスプリングピンを弾丸の先で押すとトリガー・ガードを下に開放でき、トリガー・ガードが無い状態で操作できる[4]。

ストックの肩当部分にあるふたは中にクリーニングキットが入っており、クリーニングロッドやチャンバーブラシが内蔵されている。通常分解掃除には、あらかじめチャンバーから弾薬を抜いてハンマーを起こしておき、弾丸の先を使ってテイク・ダウン・ピンを銃の左側面から押すことで中折れ式にボルトが開放されるので、ボルトを抜き出したあとチャンバー、ボルトの掃除をする[4]。
M16ライフル

モデルナンバー運用者軍での名称種別
601アメリカ空軍AR-15ライフル[5]
602
603アメリカ陸軍・海兵隊XM16E1→M16A1
603K韓国軍M16A1
604アメリカ空軍M16
604改アメリカ海軍Mk.4 mod.0
609アメリカ陸軍XM177E1サブマシンガン[5]
610XM177
アメリカ空軍GAU-5/P
629アメリカ陸軍XM177E2
アメリカ空軍GAU-5/A/B
630GAU-5/A/A
649GAU-5/A
645アメリカ陸軍・海兵隊M16A2ライフル[6]
646アメリカ海軍M16A3
945アメリカ陸軍・海兵隊M16A4
920M4カービン[6]
921M4A1
711カナダ軍C7ライフル[7]
725C8カービン[7]

AR-15 (モデル601, 602)

空軍に配備されていた最初期モデルであり、モデル601は1959年から1963年にかけて、モデル602は1963年から1964年にかけて生産された[5]。
M16 (モデル604) M16

M16（モデル604）は、アメリカ空軍向けの最初の制式モデルであり、1964年から1965年にかけて生産された。並行して陸軍・海兵隊向けに生産されていたM16E1（モデル603）とは異なり、ボルトフォワードアシストを備えておらず、ボルト閉鎖不良時の対応に問題を残した[2]。
XM16E1, M16A1 (モデル603) M16A1 M16A1とM203 グレネードランチャー

モデル603は陸軍・海兵隊向けの最初の制式モデルであり、まず1964年より、XM16E1として実験的に生産・配備された後に、1967年以降は、その教訓をフィードバックしたM16A1に移行した。また納入済みのXM16E1も、軍の施設でM16A1仕様に改修された[2]。

XM16E1では、生産開始直前になって、陸軍の要請を受けて完全閉鎖しなかったボルトを強制的に閉鎖させる「ボルトフォワードアシスト」が追加された。また最初期のモデルは、従来と同様に三叉状の消炎器を備えていたが、木の枝や蔓に引っかかりやすい上に衝撃に弱く、水も侵入しやすかったことから、1966年9月より、先端が閉じて4つのスロットが切られた鳥かご型へ変更された。1968年から1969年にかけて、既存のXM16E1のほとんどがこの仕様に改修されたが、一部では三叉状のままで使用が継続された[2]。

1965年よりXM16E1を装備した部隊がベトナム戦争で実戦に参加するようになると、多くの問題が指摘されるようになった。故障の最大の原因が発射薬の変更で、制式化以前は市販のIMR火薬を使用していたのに対し、制式化されたM193弾では、ストーナーの反対にもかかわらず、7.62 mm弾などと同じ粒状弾薬が採用された。これはIMR火薬よりも安い一方で燃えカスが多く、ガス圧直接利用式という動作方式もあって、動作不良につながりやすくなっていた。またクリーニング・キットも不足しており、コルト社が「M16は先進ライフルで、メンテナンスの必要はない」と過剰広告していたこともあり、部隊では有効な手入れ法が指導されていなかった。