Als die US-Regierung 1957 die Firma ArmaLite mit der Entwicklung einer Reihe von Testmodellen beauftragte, griff diese auf das bereits 1955 durch Eugene Stoner entwickelte AR-10 im Kaliber 7,62 ×51 mm NATO zurück.
Als Ergebnis konnte 1958 das Modell AR-15 im Kaliber .222 Remington zu Erprobungszwecken an die United States Army geliefert werden. Das Waffengehäuse besteht aus einer Leichtmetalllegierung und der gerade Schaft aus Kunststoff. Da sich die Firma Armalite lediglich als Entwickler, jedoch nicht als Hersteller sah, gab sie die Rechte an die Firma Colt ab. Dort wurden weitere Testserien und Verbesserungen vorgenommen.
Im Sommer 1961, nach erfolgreicher Truppenerprobung, wurde das erste Kontingent von 8.500 Sturmgewehren durch die United States Air Force (USAF) angeschafft, die es als M16 in Dienst stellte. Ende 1964 folgte ein weiteres von etwa 85.000 XM16 für die United States Army sowie weitere 19.000 Stück M16 für die US Air Force. Bis 1966 befanden sich etwa 350.000 Waffen bei amerikanischen Streitkräften.
Bei der US Army erhielt die Waffe die vorläufige Bezeichnung XM16 und unterschied sich von der USAF-Version M16 durch die rechts am Gehäuse befindliche Schließhilfe (Bolt Forward Assist). Die Schließhilfe war durch eine Forderung der Army erforderlich; es wurde verlangt, eine Möglichkeit zu schaffen, den Verschluss zwangsweise zu schließen, wenn er dies nicht unter Druck der Schließfeder selbsttätig tat. Dies jedoch nicht, um die Waffe erneut abfeuern zu können, sondern damit ein Zerlegen der Waffe möglich wird, was bei einem Verschluss in hinterster Stellung nicht möglich ist.