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M4卡宾枪（M4 carbine）是早期卡宾枪版本M16的缩短版，获世界各国的军队及警队采用。它们全是由尤金·斯通纳开发的CAR-15发展而来，而M4的长度比M16A2型突击步枪较短，重量也较轻，两者之中有八成的部件可以共享。一些M4A1装配较厚较重的枪管，以减低全自动开火时所产生的热力，并且加厚铝质隔热层。全数M4及M4A1均使用5.56mm口径的SS109子弹，而且仍采用M16特有的气体直推传动方式。
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。