M16是世界上第一支装备部队的小口径步枪，口径为5.56毫米，而在它之前的步枪一般都是7.62毫米口径甚至更大。
在1964年2月8日，美国空军把M16正式命名为“美国5.56mm口径M16步枪”。M16的诞生，以前在越南战争初期的问题频生的M14可谓“功不可没”，事情还要从20世纪50年代说起。在北约进行“弹药通用化”，即要在北约内统一枪弹口径时，美国认为T65式7.62×51mm枪弹射程远、穿透力强，坚决反对任何降低威力的小口径弹药的生产，美国凭盟主地位施加强硬影响，使北约在1953年正式决定T65弹为北约制式弹，美军的制式步枪也选定了春田T44，并定型为M14。
M14刚刚装备部队便立即在越南战场投入使用，在越南的丛林山区中，M14的缺点暴露无遗。M14全长1120mm，带实弹匣时全重4.54kg，由于7.62mm枪弹威力大，在全自动射击时后坐力非常大，射手不容易控制，射击精度很差。最不能忍受的是在越南战场上配发的M14都安装了快慢机锁，士兵只能进行半自动射击，在AK47强大火力的压制下，使用M14的美军士兵苦不堪言。此外由于步枪和弹药都太重，通常在巡逻任务中的单兵携带的弹药量不超过100发子弹。
其实M14也并非是一支一无是处的枪，它只是一支在错误的时间、错误的地点、被错误使用的枪而已。假如20世纪70年代的美军并不是在潮湿的越南丛林里面，而是在开阔的中东沙漠打仗的话，那么现在美国大兵手上的武器估计仍然会是中、远程威力和精度俱佳的M14。但偏偏美国就是要干涉越南事务，而不是中东事务，因此，在越南战场上的美军迫切地需要一种比M14更适合丛林环境的步枪。
M16全面配发到部队后首次在战斗中登场是在1965年11月越南德浪河谷的战斗，而且表现得相当好。哈罗德·G.摩尔中校（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。”
但当M16配发的数量在逐渐增加的时候，其名声也在逐渐变得更坏，从1966年秋天开始，越南战场上频频传出M16出现故障的消息，许多关于战斗失利的报告都提到该枪的问题。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。在我们营里失去了将近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分的人吗？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式步枪——M16。实际上我们发现几乎每个人死之前都在维修他的步枪——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片，五角大楼发现后不让她公开这些照片。他们说不希望会影响到美国公众的情绪。这不是很可笑吗？”
柯尔特公司立即派出几个专家小组奔赴现场，美国参议院武装部队委员会、《美国步枪手》等杂志也派人前往调查、采访。当时M16存在的主要问题有：弹膛污垢严重、卡壳、拉断弹壳、弹匣损坏、枪膛与弹膛锈蚀、缺少擦拭工具，尤其是在恶劣条件下，情况更为严重。此时，当凯萨琳·利莱拍摄的这些照片在巴黎《竞赛》杂志上公开，消息传到国内时，一片哗然，批评M16的浪潮此起彼伏，尤其是反对采用小口径的人推波助澜、添油加醋。
这些故障的原因是多方面的，越南气候潮湿，温度高，若不注意擦拭维护，很容易使枪生锈，但改用步枪弹发射药是主要原因。M16原本所用的M193枪弹原装杜邦公司的IMR4475单基管状药，这种药燃速快、压力曲线升得快、残渣少。不久，杜邦公司通知陆军说他们无法大量生产IMR4475。1964年1月，陆军决定采用奥林公司的WC846双基球形药，他们认为这种发射药易于生产，成本低，而且燃速慢，有利于提高枪管寿命，而且原本T65枪弹也是使用这种发射药的。但事与愿违，M193弹采用WC846药后便出现了很多问题：球形发射药燃烧后会在M16的枪管和导气管中留下一些黏黏的残渣，由于枪管没有镀铬，而导气系统又没有相应的维护装备和适合的润滑物，因此很难迅速使步枪恢复正常使用状态；由于球形发射药的弹道特性导致导气孔的压力，加上缓冲装置重量很轻，M16的全自动射速从正常状态下的每分钟750—850发大大提高到每分钟850—1000发；另外由于枪机开锁时剩余膛压高，残渣也增加了膛壁与弹壳之间的摩擦力，因此经常出现卡壳和断壳现象；此外，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也是一个重要原因。
斯通纳本人对于改用发射药一直存有遗憾，据说他曾与众议员弗郎克维有过一段对话。当时斯通纳正在翻看改变发射药后的M16步枪技术数据。
弗郎克维：“您的意见如何？”
斯通纳：“我建议还是不改为好。”
弗郎克维：“陆军已经决定这样办了。”
斯通纳：“既然已经决定还征求意见干什么？”
弗郎克维：“我想如果您能同意，我会感到舒服些。”
斯通纳：“好，那就让我们两人都不舒服吧！”
除上述原因外，装备M16的部队缺乏必要的训练和指导以及缺乏维护装备也导致M16在战斗中出现了很多戏剧性的故障。斯通纳系统的优点是枪机和机框形成的“活塞”在枪膛轴线上运动，这样枪机组在运动过程中质心变化小，不会对精度造成不利的影响，而且没有独立的活塞也使得结构简单和减少活动部件。但该系统的缺点是火药气体直接进入枪机组，很容易在枪机组内积炭，因此，M16需要经常清洁和润滑以确保其可靠运作。使事情变得更糟的是，军队被告知这种太空时代的武器不必清理，因此没有配备相应的维护装备。如果仍然用最初的IMR发射药，这倒可能是真的，但偏偏现在使用了比较“脏”的球形药。结果，M16经常在战场上卡壳。
但不管是什么原因，现在对于M16的争论再一次风起云涌，斯通纳的最新设计斯通纳63武器族被送去越南试验，而SPIW的钢矛试验武器计划被重启。幸运的是，这一次对待M16的问题却表现得比对待M14要冷静得多。针对M16在战斗中暴露出来的问题，一个由国会组成的委员会于1967年5月15日开始着手调查，首席代表是密苏里州的民主党员理查德·伊萨霍特。他在本宁堡和兵营进行测试观察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的。为了解决设计中的一些问题，M193弹中容易产生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。柯尔特公司也对M16本身进行了改进，例如重新设计缓冲器，使射速降低到正常状态；设计一种维护工具以及新的枪托，使清洁工具能贮存于步枪内；严格控制生产工艺，提高产品质量。最后，还制订了一项“应该如何正确地维护M16”的庞大训练计划，并印制了一份连环漫画式的步枪维护手册发给士兵，这项措施是关于操作问题的最终解决方法。
也许对M16A1的最重要的变化是弹膛镀铬，后来干脆枪膛完全镀铬。这项改进其实早在最初的“齐射”计划时已经提出过，但由于不划算而被放弃。当时还没有可靠的方法去给直径小的224枪管镀铬。镀铬的真正价值在于防止弹膛被腐蚀，当弹膛内出现锈、沙、污垢或机械加工痕迹时会增加摩擦系数，粗糙的弹膛加上约翰逊/斯通纳式枪机缺少预抽壳动作，以及5.56mm弹的弹壳锥度过小，许多士兵发现经常在打了第一发子弹后就会粘膛。而枪膛镀铬后则不容易生锈，而且也减少了摩擦，弹膛内残留的污垢很容易随着挤压动作与弹壳一起被抛出。
在操作性能和生产问题上所作的努力，使得对M16A1可靠性的质疑迅速减少，虽然名声还是很差，但M16开始在实战中证明它的可靠性能够达到使用要求。在1967年8—9月间，有关调查人员再次在越南战场上调查士兵对M16的意见，调查小组对超过2100名士兵进行了访问，只有38人表示想要换掉他们的M16步枪，但其中的35人表示想要的只是XM177型——这是M16的缩短型。
在解决了故障频频的问题后，下一个最迫切需要解决的问题，就是如何把更多的步枪交到正需要它们的步兵手上。直到1966年，柯尔特公司都是M16/M16A1的唯一生产商，月产25000支。1967年6月30日，美国政府购买了M16枪族的专利、特许生产权和TDP（Technical Data Packages，包括生产图纸、工艺文件在内的详细技术资料），这样他们就可以指定其他承包商来生产更多的步枪，使部队能更快地获得大量新武器。由于担心饭碗被抢走，柯尔特公司的员工马上展开了持续两个月的罢工来反对这项决定，不过美国陆军最终还是增加了两个生产M16的承包商。在1968年4月，通用汽车公司的Hydramatic分部（Hydramatic Division of General Motors Corporation）和哈灵顿·理查德森公司（Harrington＆Richardson）开始生产M16/M16A1，月产分别为25000支。1969年柯尔特公司扩建，M16的月产量达到50000支。1970年5月，三家公司的最高月产量达到89000支。到1971年，通用公司和哈灵顿公司相继停产M16/M16A1，而柯尔特则仍在为美军提供M16/M16A1步枪，直到1988年。
M16与AK-47的首次较量是在越南战场上，在很多对比两支枪性能的报道中都会提到当时很多美军士兵在缴获AK-47后，宁愿扔掉M16而使用AK-47。由于过去的年代国内媒体在评论外国武器时有贬美褒苏的习惯，因此这种情况常常被夸大地描写，使人感觉到M16系列十分不可靠。然而事实上美国士兵扔掉M16步枪虽然确实是存在的事实，但却远不如人们所想象的那么普遍。在哈罗德·G.摩尔的《我们曾经是年轻的士兵》中多次提到战斗中M16出现故障时的解决方法往往是一些人使用伤员或阵亡人员的步枪继续战斗，而另一些人则蹲在散兵坑里排除故障。因为在战斗，除非自己的武器确实无法使用又没有后备武器，否则一般人都不会冒险在火线下捡敌人的武器使用，那通常是在战斗结束后打扫战场时才优哉游哉地干的事情，此外使用不同型号武器还涉及到训练水平的有效发挥和配用弹药供应等问题。
经过改进的M16A1不但提高了可靠性，也在生产质量上严格把关。例如每一批M16A1在配发到部队前，都会进行可靠性抽试，抽试的结果表明M16A1平均故障率为0.033%，低于指标要求的0.15%，平均无故障工作时间为3000发。通过严格控制生产工艺，M16A1还是具有良好的可靠性的。尽管M16最初在越南战场上表现得故障频频，但问题在6个月内就解决了，M16/M16A1在战斗表现中证明了尤金·斯通纳设计了一把优秀的步枪。使用缴获武器的情况的确存在，但反过来，同样有不少越南人使用缴获的M16系列。一方面他们惧怕M16的杀伤力，他们经常谈论“小黑枪与小弹能打大孔”，另一方面，他们使用能找到的任何武器，包括M16。
虽然美军在越南战场失利，但M16却从越南战场起步，仅柯尔特公司在这段时间内就生产了350万支M16。1974年，美国陆军采购了270万支。M16开始走向世界，并在世界各国军队里掀起一股小口径步枪热潮。有意思的是，北越军队彻底击败南越军队后，从南越军队手上缴获了约一百万支M16A1。越南在1970年至1980年期间把这些缴获的M16A1销售到其他地方，大部分是卖到中美洲。
在越南作战的美军普遍反映M16、M16A1火力猛、重量轻，比M14易于携带。据在越南作战的美军第一骑兵师的一位指挥官P.W.肯德拉中尉介绍，该师的一个班被三面包围在山上，为了呼叫直升机火力支援发射了信号弹。北越士兵以为他们要撤退，于是加快了进攻速度，结果受到M16A1的猛烈射击，伤亡惨重。
在黛米·摩尔主演的电影《G.I.Jane》中海豹队员在M16的枪口上套避孕套的情节并非虚构。据说M16的说明书上说枪管进水后不能立即射击，事实上美军往枪口上套避孕套是个老传统，早在几十年前的老电影《大红一师》中就出现过西非登陆前的美军士兵在M1伽兰德步枪上套避孕套的画面。其实避孕套最主要的作用并不是防水，而是防止枪膛内进入异物，如果有沙子碎石堵塞在枪膛内，即使是可靠如AK这样的名枪也可能发生炸膛。有一些武器生产商为枪械配套生产塑料制的枪口帽，非常薄和软，万一射击前忘记摘下来也不会发生意外。例如奥地利的AUG，我国也曾在对越自卫反击战中为56式冲锋枪提供了配套的枪口帽。这些简单的塑料枪口帽经常会被弄掉，但也不会有人心疼，而且很容易找到替代品。俄国兵就在AK-47的枪口上套上用过的信号弹纸壳筒。M16虽然可靠性不佳，但也并非差得让人难以接受。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1991年海湾战争中的表现还是相当可靠和受士兵信赖的。
当美国深陷越战泥潭时，还出现了几个M16的衍生型，除了CAR-15系列和XM177系列外，还包括两种短命的轻型狙击步枪。一种是柯尔特655型，又称为M16A1特种高轮廓型（M16A1 Special High Profile），是在标准的A1式提把上增加瞄准镜座，并采用重型枪管。另一种是柯尔特656型，又称为M16A1特种低轮廓型（M16A1 Special Low Profile），该型号没有提把，代之以一个可调整风偏的机械瞄具和瞄准镜座，这是现在的M16/M4平顶型机匣的先驱，该型号同样采用有护圈的准星。这两种步枪都采用Leatherwood/Realist的3—9倍ART瞄准镜。其中一些型号配备有消声器，但这些步枪都不是标准化的。
Mk.4 Mod0是在越南战争期间为美国海豹突击队生产的M16A1的另一种鲜为人知的变型枪，并且在1970年4月被采用。它与标准M16A1的主要区别在于为在海上使用而提高了防腐处理，并预装有一个消声器。大部分部件被涂上一层Kal-Guard润滑油，有一个直径0.635厘米的小孔经过枪托和缓冲管用来排水，通过一个O形环增强了缓冲组件的固定方式。据说该型号可以在60米水深携带而不会损坏。最初使用的Mk.2 Mod0“枪口冲击抑制器”以美国陆军人体工程实验室的M4式消声器为基础。如果使用HEL-M4消声器，会导致导气管的气体能量降低，因此需要改进机框的设计，同时要在拉机柄上增加一个气体偏流装置，以免射击时从拉机柄处溢出的火药气体打到射手身上（AR或M16式步枪都有这个缺点，如果安装消声器，最好是换一个有挡气功能的加大拉机柄）。结果经此改进的枪在装上HEL-M4消声器时能够正常地半自动或全自动射击，但如果拆卸了HEL-M4消声器，则每次单发射击后都必须用手装填。而Mk.2 Mod0消声器虽然是作为Mk.4 Mod0步枪的一个整体部件，但已经经过改进，即使拆卸了消声器，步枪仍然可以正常运作，Mk.2 Mod0消声器还能迅速排水，而且不需要专门改进机框或拉机柄。在20世纪70年代后期，Mk.2 Mod0消声器被骑士军备公司生产的Mk.2消声器代替，KAC消声器可以完全浸水，而且里面的水在8秒内将会被排干净。而美国陆军则以结构更简单的SIONICS MAW-A1消声/消焰器来代替HEL-M4。
美国在1970年要求其他北约国家仿照美军的做法把M16/M16A1定为北约的标准配备，英国人对此非常恼火，在差不多20年前美国军械署强制要求北约把7.62mm T65弹作为北约标准弹时就说过英国人的280弹能力不足，而现在他们被告之还是需要这样一种口径的武器，而且还要采用这种更小更轻的弹作为北约标准化弹。
但无论如何，大家都看到M16在越南战场上的表现，于是经过试验，北约组织在1980年选定了比利时的SS109弹作为新的北约标准弹。为此，美军必须设计新的步枪以适应这种比较重的新弹头，同时，美国海军陆战队也正根据M16A1在部队使用的十几年来的意见对M16着手进行改进并试验，最后在1982年定型了新的M16A2，1985年陆军承认了海军陆战队的改进成果，并开始装备M16A2。
不过曾经率先装备M16的美国空军这次却反而显得很吝啬，没有换装M16A2，而一直在使用旧的M16，甚至当这些步枪的枪管也到了使用寿命时，美国空军考虑的也只是翻新旧步枪而不是购买新枪。在1995年，空军开始陆续把他们所有的88000支M16和GAU-5送去科罗拉多一家名为CAPCO的公司更换新配件，主要是更换了缠距为1/7的M16A2式枪管以发射M885弹。M16的机匣设计是不受力的，因此其使用寿命特别长，只要更换枪管、枪机及其他破损部件就仍然能够正常使用。
而斯通纳本人一直对M16A1情有独钟，所以对于M16A2的改进一直耿耿于怀。他曾经说过，改进前和改进过程中，从来没有征求过他的意见，改完后才让他看。他还形容M16A2除了护木以外，其他改动没有任何价值。他已经忘记了M16A1的起家正是基于使用部队的呼声。