M16: phiên bản đầu tiên của dòng M16, cải tiến từ khẩu AR-15, có ốp lót tay trơn hình tam giác và hộp tiếp đạn 20 viên. Tuy nhiên loại súng này rất dễ kẹt đạn vì hãng Colt làm nhẹ các bộ phận chuyển động của mẫu AR-15 đi và có tốc độ bắn quá nhanh, nếu như bắn thẳng tay (bắn 1 lần hết 1 băng đạn) thì chỉ cần 1,5s là khẩu M16 đã "ngốn sạch" băng đạn 20 viên.

M16A1: cải tiến từ M16, sửa một số lỗi của M16, đặc biệt ít kẹt đạn hơn hẳn. Thay đổi rõ rệt nhất là M16A1 có một cần đẩy với nút nhấn ở bên phải cò súng (Foward Assist) hỗ trợ giúp thay đạn nhanh hơn hẳn. Phiên bản hoàn chỉnh được thông qua và sản xuất vào năm 1967.

M16A2: Đây là phiên bản cải tiến lớn của dòng súng M16. Ngoài thay đổi về độ xoắn nòng, Colt cũng trang bị cho M16A2 một nòng dày và chịu lực tốt hơn, giúp chống bị uốn cong và cho phép bắn trong thời gian dài. Đặc biệt nó có một loa che lửa mới giúp tránh bám bụi tốt hơn. Ngoài ra hãng Colt còn thay đổi ốp lót tay của súng từ dạng tam giác sang dạng tròn với nhiều vân giúp cầm nắm dễ dàng hơn. Đặc biệt, M16A2 không còn chế độ bắn tự động mà thay vào đó là điểm xạ loạt 3 viên. Được thông qua và sử dụng vào đầu những năm 1980. M16A2 còn là tiền đề để hãng Colt thiết kế khẩu M4A1 danh tiếng của họ

M16A3: Cải tiến từ M16A2 với chức năng chọn chế độ bắn: tự động, bán tự động và khoá an toàn. Được sử dụng với số lượng nhỏ, chủ yếu trong một số lực lượng của Thủy quân lục chiến Hoa Kỳ.

M16A4: Phiên bản cuối cùng của dòng M16, được chia thành hai loại chính với các chế độ bắn khác nhau. Phiên bản có số hiệu R0901/ NSN 1005-01-383-2872 có 3 chế độ: khóa an toàn, bán tự động và tự động hoàn toàn. Còn phiên bản R0905 có 3 chế độ là: khóa an toàn, bán tự động và loạt 3 viên. Phiên bản này được nhận xét là tốt nhất trong cả dòng súng M16 với khả năng tản nhiệt tốt hơn và giảm tỉ lệ bị kẹt đạn đi rất nhiều lần so với các phiên bản trước. Ngoài ra Colt đã gỡ bỏ quai xách đặc trưng phía bên trên thân súng và thay vào đó là hệ thống ray Picatinny hoàn chỉnh, giúp khẩu súng có khả năng gắn được nhiều loại kính ngắm hơn.