M16A4的前身其实是1994年开始试验的M16A2E4，但当时的M16A2E4只是平顶机匣式的M16A2，其外观和柯尔特的商业型M16A3（910型）相同，但不能连发。在1997年M16A2E4开始配上KAC公司生产的XM5 RAS导轨护木。其后，装配上RAS的M16A2E4被正式定型为M16A4，而XM5 RAS也正式改称为M5 RAS。 M16A4是将枪械作为一个模块、火控系统作为一个模块来设计的。瞄具采用了许多的新技术，但枪械本身改进不多。机匣为平顶式，上端有MIL-STD-1913皮卡汀尼导轨，可安装瞄准设备或可拆卸提把。枪机和其他M16系列一样有特富龙润滑涂层，以提供可靠性。重型枪管上刻有适用的枪弹、膛线形成的数字。美国陆军和海军陆战队的M16A4均采用KAC公司的M5 RAS护木，可安装直握把、激光指示器、战术灯和其他配件，护木内侧有铝制的隔热屏。固定式枪托后部可装擦拭工具。由于完整的M16A4系统并不只是一支枪，还包括一堆安装在皮卡汀尼导轨上的可选配件，因此在美国陆军野战手册中，M16A4也被称为M16A4 MWS，即模块化武器系统。 M16系列在3发点射和连发上来回变化，M16A2由连发改为3发点射，M16A3又改成了连发，如今到M16A4又成了3发点射。M16A4上的单发/点射机构也是M16A2的点射棘轮机构。 M16A4的瞄准设备包括AN/PEQ-5激光指示器、M68近战光学瞄准镜（CCO）、全息衍射镜（HDS）和AN/PVS-14夜视瞄准系统等。据说在M16A4的基础上，柯尔特公司已制成同时具有单发、点射、全自动射击三种射击方式的型号，可能会以M16A5的名称亮相，不过原本M16系列的击发机构无法同时具有三种发射方式，如此看来M16A5必定要改用新的击发机构。