М16 (изначально - AR-15 фирмы Armalite) была разработана Юджином Стонером на основе его же автоматической винтовки AR-10 калибра 7.62мм НАТО под патрон .223 Remington (5.56 * 45), созданный фирмой Sierra Bullets на основе охотничьего патрона .222 Remington в 1957 году. Винтовка построена по газоотводной схеме с отводом газов из ствола прямо в затворную коробку (газы действуют непосредственно на затворную раму, в отличие, например, от АК, где газы действуют на газовый поршень в газовой камере и не попадают в пространство затворной коробки. Такая конструкция (без газового погршня) приводит к повышенной загрязняемости механизмов пороховой гарью при стрелбе и, соответственно, к более жестким требованиям по чистке и уходу за оружием). К достоинствам такой конструкции относится меньшая масса подвижных частей автоматики, и, как следствие, меньшее влияние импульсов от их движения на устойчивоасть оружия при автоматической стрельбе. Запирание осуществляется поворотом затвора с 8 боевыми упорами. Помимо этого, к особенностям конструкции можно отнести "переламывающуюся" на манер охотничьих ружей для разборки затворную коробку, изготвленную литьем из алюминиевых сплавов, приклад из полимера, расположенный на линии ствола (для уменьшения вертикального плеча отдачи), полимерные цевье и рукоятку управления огнем. Кроме того, винтовка имеет дэмпфер отката затвора (подпружиненный груз, в который ударяется затворная рама в крайнем заднем положении). Так как демпфер расположен в прикладе, это создает проблемы при создании модификаций М16 со складным прикладом, отсюда - и характерные "телескопические" приклады на укороченных ХМ177 Коммандо, М4 и других.

Винтовка была принята на вооружение армии США в 1962 году и сразу же попала во Вьетнам. По результатам Вьетнамской войны винтовку модифицировали в 1968 году и обозначили М16А1. Тогда винтовка приобрела характерное устройство в виде клавиши на правой стороне затворной коробки для дозакрытия затвора (в случае засорения или недосыла патрона). Необходимость в такой детали (в отличие от АК, например) объясняется тем, что рукоятка перезаряжания, доступная для обоих рук стрелка и расположенная на тыльной стороне ствольной коробки, не связана с затвором жестко и при стрельбе остается неподвижной. При недозакрытии затвора необходимо несколько раз нажать на эту клавишу, которая своим зубом-храповиком продвигает затворную раму вперед, взаимодействуя с гребенкой на боковой поверхности затворной рамы.Кроме того, на затворной коробке позади окна для выброса гильз появился специальный прилив - отражатель стреляных гильз. Его назначение - не допускать попадания гильз в лицо стрелку, ведущему огонь с левого плеча. Кроме того, вместо изначального магазина на 20 патронов был принят новый, на 30 патронов.