该枪是一款真正的卡宾枪，是采用了伸缩式枪托的M16A2短枪管型，可将其看作介于标准步枪和超短突击队员(commando)之间的中间型号。其大部分机械部件与M16A2通用，可使用M16和北约STANAG4179弹匣。

1977年4月至1979年春，北大西洋公约组织进行了一系列的测试以决定新的北约制式弹。大部份北约成员国家提交的弹药都是以标准的5.56mm M193 M16弹为基准研制的，当时的西德则推出了4.7mm无壳弹。在所有测试完成后，在1980年比利时SS109弹被选定为第二种北约标准弹。SS109弹的弹头为组合钢弹芯，枪口初速为每秒3000英尺。它的优点是有效射程比美国的M193弹更远,适合轻机枪使用,但是要完全达到这种性能表现必需将膛线缠距改为7英寸，而原来的M16/M16A1的膛线缠距为12英寸。当SS109弹在缠距为12英寸的步枪中发射时,SS109弹的表现只比M193弹好一点。

M16A1需要进行改进以适应发射SS109弹，美国军方决定尽快改变膛线缠距并改进M16/M16A1的一些不足。同时美国海军陆战队根据M16A1在部队使用的十几年来的意见也对M16着手改进并试验。到1985年陆军正式承认其改进的成果,改进后的M16A1E1被正式命名为M16A2。

在之后几年内，在对M16A2进行过几次小的修改后，M4正式诞生。M4的编号是Model 720，在1991年3月军方正式定型并命名为：美国和北大西洋公约组织5.56mm口径M4卡宾枪(The United States Carbine Caliber 5.56mm NATO M4)。M4和M16A2非常相似，事实上它们有80%的零件可以互换，因此M4最初也称为M16A2卡宾枪。

• M4A1
  M4跟M4A1最主要的分别是，M4拥有“S-1-3”系统（保险／单发／三点发）扳机，而M4A1则拥有“S-1-F”系统（保险／单发／全自动）扳机，早期型采用固定提把，只有三点发的M4已被全自动M4A1取代。
• M4 MWS
  M4的模组化武器系统（Modular Weapon System）版本，简称M4 MWS（又曾名M4E2），是配备RIS护木的柯尔特M925卡宾枪，并配有大量战术配件。当初配备RIS护木的柯尔特925型卡宾枪经过测试后原被定型为M4E2，但这个名称对已有的卡宾枪安装这个护木后是否需也应更改名称疑问而放弃此称，美国陆军野战手册中则把安装RAS的M-4系列称为模块化武器系统（Modular Weapon System）或简称M-4 MWS。
• M4A1卡宾枪
  M4A1卡宾枪（M4A1 carbine）是其中一种M4卡宾枪的衍生型，被用作特别作战用途，亦是现在最常见的版本。现时主要装备美军各常规部队及特种部队，包括三角洲特种部队、美国海军海豹部队、美国陆军游骑兵及美国海军陆战队。