M16A4自动步枪的设计有所改进，它采用了MIL-STD-1913皮卡汀尼导轨，取代了原来的固定携带提把和金属照门，为枪支提供了更大的灵活性，能够装备各种军用和民用瞄准具或目视装置。美国海军陆战队的M16A4几乎都装配了奈特武器公司的M5 RAS护木，增加了垂直握把、激光瞄准具和战术灯等附件，使其成为模块化武器系统，如M16A4 MWS。为了帮助部队掌握控制连发的技巧，M16A4保留了M16A2的三发点射模式，尽管也可选择连发模式。
随着美国陆军广泛采用M4/M4A1，海军陆战队也跟进，决定装备M16A4以替代M16A2。2002年，海军陆战队在经过两年的测试和评估后，最终选择了M16A4，尽管M4在近距离战斗中表现良好，但海军陆战队认为20英寸长枪管的M16A4在射程上有优势，特别是在SS109/M885弹在阿富汗战场的低杀伤力问题上。海军陆战队的决定基于实战需求和弹道性能的提升。
M16A4有两家供应商，柯尔特为陆军提供，FNMI为海军陆战队生产，尽管型号名称相似，但柯尔特和FNMI版本在枪身上有所区别。M16A4的规格包括口径5.56×45mm SS109/M855，全枪长1000mm，枪管长510mm，空枪重约3.77kg，理论射速可达700~900 RPM，有效射程600m，初速945m/s，枪口动能1765J，弹匣容量20/30发，瞄准基线长501mm。该枪配备多种瞄准设备，如激光指示器、近战光学瞄准镜、全息衍射镜和夜视瞄准系统，满足不同环境下的战斗需求。
M16A4自动步枪是M16自动步枪的一种改型。M16A4作为前线美国陆军和美国海军陆战队的标准装备，它是将枪械与火控系统分别进行模块化来设计的。