在
M4A1-A的基础上进行了改进，采用迷彩外观，并加快了切换和上弹速度。
1988年由
柯尔特公司授命于
美国陆军部，在陆军部与海军陆战队联合参与下研制新型的
M16系列自动步枪。
柯尔特公司的工程师把枪管弄短至14.5英寸(370mm)，枪管上增加了一个缩颈用以挂装
M203榴弹发射器，采用伸缩枪托，射击方式为半自动和三发点射，护木内采用了双层的铝制隔热屏。这种新型
卡宾枪的
柯尔特公司产品编号为Model 720，在1991年3月军方正式定型并命名为“
美国5.56mm
北大西洋公约组织口径
M4卡宾枪“
口径:5.56毫米（0.223寸）（
北约各国通用，使用相同口径：Famas,AR-15,SG550,SG552,M249,M60）
CAR-15发展而来，同样采用导气、气冷、转动式枪机设计，以弹匣供弹及可选射击模式的
突击步枪，而M4的长度比M16突击步枪为短，枪管缩短至368.3毫米，重量也较轻，令射手能在近战时快速瞄准目标，两者之中有八成的部件可以共用。
M4卡宾枪系列取代了.45 ACP的
M3冲锋枪成为美军工兵、战车驾驶员及非前线部队的装备。M4/M4A1卡宾枪亦获多国特种部队及特警队所使用，多数出现在近战及城市战亦十分合适。战术配件的平顶型上机匣及导轨式护木改进型号亦正渐渐取代旧式的M4卡宾枪。
和
M16A2/A4的分别：
M16A4是大托，前面的鱼骨是长的,枪管长，火力更猛，杀伤力更大M4A1是标准的陆军托，前面鱼骨比较短，标准管是380MM杀伤力不如长管的M16A4大。
M4和M4A1主要由
柯尔特公司和大毒蛇公司（Bushmaster Arms）生产，此外M4/M4A1也被一些执法机构所采用。柯尔特公司销售的M4/M4A1的名称已经改为RO777、779、977和979。另外民间也出现一些民用型的M4/M4A1，有半自动也有全自动，但为符合相关法规，枪管长度一般都在16英寸或以上。由于M4和M16A2非常相似，事实上它们有80%的零件可以互换，因此最初也称为
M16A2卡宾枪。M4首先装备82空降师，用于替代 M16A1/A2步枪、M3冲锋枪和车辆驾驶员使用的部分9mm手枪，1994年正式列装。柯尔特公司又为海军研制了一种射击方式为半自动和全自动的 Model 727，除射击方式外其他与M4完全一样，因此有些人称Model 727为M4增强型（M4 except）或海军型M4。
柯尔特公司又研制了一种M4的子变体，主要是设计了一种新的平顶型机匣盖以安装模块化的瞄准系统。在1994年8月，这项改进被军方采纳，并把这种平顶型M4正式命名为“
美国5.56mm
北大西洋公约组织口径
M4A1卡宾枪”（The United States Carbine,Caliber 5.56mm NATO,M4A1），柯尔特公司编号Model 27。M4A1的主要改进是把原来的固定式提把改为可以安装不同瞄准装置的M1913导轨——即平顶型机匣，此外M4A1的射击方式是
半自动和
全自动，就像M16A1。M4A1卡宾枪在美国的特种作战部队中服役，特别是
美国陆军的游骑兵、海军陆战队的武力侦察队和海军的海豹突击队等等。由于 M4/M4A1射程远杀伤力大精确度高后坐力小可佩带几乎市面上所有附件而结构也非常紧凑，从1997年11月起，
美国陆军全面正式装备
M4A1卡宾枪，到1999年底全部现役部队全部换装M4A1
M4卡宾枪的设计可追溯至早期卡宾枪版本的
M16及XM177，都是由尤金·斯通纳开发的
CAR-15发展而来，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。
美国军队最初版本的
M4卡宾枪只有“单发”及“三点发”模式，其后的
M4A1以“单发”及“全自动”模式取代“三点发”，
M4及
M4A1均使用5.56 毫米口径的SS109子弹，而且仍采用
M16特有的气体直推传动方式。
M4卡宾枪的护木较短，枪管长368.3毫米，比
M16A2短了约140毫米。枪托为滑动伸缩式枪托，枪托拉出时，可采抵肩姿势射击；而枪托缩入时，则可进行腰际射击。
M4的背带不同于
M16A2/
M16A4的背带连接在枪支的下方，而是连接在武器的一侧，如此一来士兵在携枪巡逻时可容易随时准备射击。
M4卡宾枪有两种瞄准具可以配套使用，一种是光学瞄准具，主要是用来替代
M16A2步枪上所使用的机械瞄准具。这种瞄准具主要在白天使用，瞄准时可以看到一个红点，而红点所在的位置也就是子弹将会击中的位置；另一个是轻型热成像瞄准具，利用目标的热影像来确定目标。此外，因考虑到士兵在与敌突然遭遇时将会没有时间调整表尺，
M4还配备一只专门设计的校射仪，士兵即可在不需要射击的情况下就可以直接对枪或其附加装置进行校正工作。
虽然
M4系列具有紧凑及轻巧等优点，但它的短枪管令出口初速及火力降低，缩短的导气系统令射击声音增大，枪管过热亦较快。而沿用
M16的导气系统，开火时是依靠气体推动整个系统。