美國早在20世紀30年代就出現過小口徑步槍彈，而且有些子彈彈道表現優異，不過只在民用栓動步槍使用，因為美國軍方一直認為全威力步槍彈初速高、動能大、遠距離存速性能好，比小口徑步槍彈更具優勢。
直到1948年美國軍方對戰場作戰武器以及方式產生了興趣，並在約翰斯·霍普金斯大學成立了民間研究機構作戰研究室（Operations Research Office，簡稱ORO），主要是對戰場傷亡、火力壓制、作戰方式等指標進行研究，最終研究得出的結論是使用像M1加蘭德那樣只追求遠射程和精確射擊等根本沒有什麼意義，因為二戰士兵交戰雙方多數受到地形以及其他環境因素的影響，雙方交戰距離多在300米以內，甚至有些在100米以內。而且士兵在不停地移動，步槍根本沒有機會精確瞄準，完全可以發展一種使用小口徑、高射速、近距離彈道優異的新型彈藥的步槍。
M1加蘭德
其中參與該項目的槍械師唐納德·赫爾也已經發現0.22英寸（5.59毫米）的子彈與更大的子彈相比，兩者子彈性能是相同的，這樣就可以降低武器的後坐力，但仍具有很高的射速，給目標造成更大的傷害，為了進一步驗證小口徑子彈的性能，唐納德·赫爾的同事威廉姆斯·C·小戴維斯和G·A·加斯塔夫生，也開始對一系列的試驗性0.224英寸（5.69毫米）子彈進行研究。1955年，當他們申請研究經費時被軍方否決。
於此同時，美國陸軍成立了一個新的研究項目，也就是SALVO（齊射），主要是為了找到一種符合現代戰鬥需要的武器而設立。在1953到1957年之前的兩期計劃裡，SALVO(齊射）第一期得出的結論，如果步槍能夠連續射擊4發子彈，並將這些子彈的散佈控制在20英吋（0.5米）見方的範圍內，那麼它將命中率將是現有半自動武器的兩倍。
在第二期計劃SALVO 裡，測試了幾種試驗概念性武器。AAI的愛爾文·巴爾提出了一系列的鏢彈武器。第一種是裝配32支鏢的霰彈槍，而最後一種是單發鏢彈的步槍。斯普林菲爾德兵工廠和溫徹斯特生產了多槍管的武器。而作戰研究室自己的設計使用兩種新槍彈，將0.22，0.25或0.27彈頭裝在一個溫徹斯特0.308或斯普林菲爾德0.30-06子彈彈殼裡。
至此，SCHVO的理論研究有了，技術探索（.22英寸口徑卡賓槍）也有了，但是當時美國陸軍軍械部門頑固地堅持使用M14步槍，所以關於SCHVO2研究一直沒有得到足夠的重視。
M14步槍
到1957年，美國大陸軍團司令部的司令官威萊德·維曼（Willard G. Wyman）將軍收到了1955年加斯塔夫生書寫的關於測試小口徑彈藥的經費申請，並對小口徑高速步槍彈表現出濃厚的興趣。在他的帶領下，美國軍方正式尋求小口徑步槍以取代現在使用的M14步槍。不過其明確要求新步槍必須具備以下特點:
第一，新步槍要具備單發與全自動的切換模式。
第二，可以使用20發子彈的彈匣，而且重量低於6磅（2.7千克）。
第三，子彈在500碼（460米）遠的距離可以穿透美國鋼製頭盔，防彈衣，或是一塊0.135英寸（3.4 mm）的鋼板。
第四，傷害能力要達到或超過0.30卡賓槍。
AR-15步槍
由於阿瑪萊特公司有早期設計AR-10突擊步槍的經驗，所以維曼將軍一直都很看好AR-10突擊步槍，與此同時溫徹斯特也推出了一種基於他們M1卡賓槍的設計。不過M1卡賓槍的空槍重量達到了2.89千克，裝滿彈藥時3.5千克。即使將AR-15將鋁合金與不鏽鋼混合型槍管換成簡單的全鋼類型，也要比比溫徹斯特的設計輕了一磅（450克）以上。
在維曼將軍支持下，阿瑪萊特公司把早期的AR-10突擊步縮小口徑，用於發射.222英寸雷明頓民用步槍彈，改進後的步槍稱之為AR-15。但是早期的.222英寸雷明頓民用步槍彈由於發射藥量少，初速和侵徹力都存在著不足，無法對防彈衣以及頭盔有效的穿透，顯然不符合美軍對新型彈藥的要求。
0.222雷明頓子彈AR-15原型槍
於是雷明頓公司在設計師尤金·斯通納要求下以.222英寸雷明頓民用步槍彈為基礎研發一種新彈藥，新彈藥為0.224英寸（5.56毫米）口徑的銅質被甲彈頭，彈頭重55格令（3.6克）。在0.222雷明頓子彈的基礎上拉長了彈殼以及增加了發射藥，這種彈藥稱為.222雷明頓特種彈，後來為了與春田兵工廠的.222雷明登-馬格南彈（.222 Remington Magnum）進行區分，.222雷明頓特種彈改名為.223雷明頓彈，被阿瑪萊特AR-15獲得採用並改進後，.223雷明頓彈便被正式定型為5.56×45mm步槍彈，成為世界上第一種實用的小口徑步槍彈。M193普通彈為尖頭錐底鉛芯被甲彈頭，無突緣式瓶頸形銅彈殼，最大膛壓359MPa，初速為997m/s；而且在450m射程上可以穿透美國M1A1標準鋼盔（厚1.31mm）的一側，因此符合美國軍方對新彈藥的要求。
使用5.56×45mm步槍彈後，由於其膛壓比.223雷明頓彈更大，不得不對步槍做進一步改進。主要變化如下:
①因此AR-15的槍管由鋁和鋼的混合型改為全鋼材料的槍管，並採用短的棒狀消焰減震器。
②把提把內的鉤型拉機柄改成了提把後方的Ｔ型拉機柄。
早期拉機柄在提把的內部
拉機柄從提把內部改為機匣後方
③增大了覘孔式照門護翼尺寸
增大了覘孔式照門護翼尺寸
④在1960年6月4他們又改進了保險/快慢機模式選擇按鈕，原本向前旋轉為全自動模式，向上旋轉為安全模式，向後旋轉為半自動模式；改進後向前旋轉為安全模式，向上旋轉為半自動模式，向後旋轉為全自動模式。
改進前的模式選擇旋鈕
改進後的選擇模式旋鈕
其他方面則與AR-10基本一樣。斯通納的AR-15步槍可以說是集合了許多步槍的優點:M1941約翰遜步槍的閉鎖裝置；FN FAL的機匣蓋和槍尾；英國EM2的帶有照門的提把；德國MP44突擊步槍的拋殼口防塵蓋等。不過斯通納設計的導氣系統減少了幾個活動零件，使步槍操作更簡單，生產成本更低。
但遺憾的是阿瑪萊特公司當時並不具備給槍管鍍鉻的能力，對自動武器來講槍管鍍鉻不但可以提高子彈射擊精度以及穩定性，而且可以抵抗腐蝕，提高槍管使用壽命。
柯爾特輕武器公司收購AR-15步槍
1958到1959年期間，AR-15步槍在兩次的陸軍測試中都出現了故障，主要表現為如槍口焰大、精度不好、侵徹力差、使用30發彈匣時故障率高，而且當雨水進入AR-15的槍管中時發射會導致膛炸。阿瑪萊特決定停止對AR-15的研究，並在1959年12月把AR-15的設計、生產與銷售權以現金75,000美元和日後4.5%的銷售提成賣給了柯爾特輕武器公司。
柯爾特公司進一步完善了AR-15的設計，作為柯爾特最初的AR-15的型號601型，基本上只是最初阿瑪萊特步槍的複製品（事實上這些早期的型號經常被發現印著柯爾特/阿瑪萊特AR-15）。
AR-15步槍601型
601型（Model 601）的柯爾特AR-15，圖中的早期彈匣仍然是阿瑪萊特的鋼製彈匣，後來才改為鋁合金彈匣
601型在彈匣釋放鈕周圍是“平”的，沒有防止誤操作的“凸起”
601型的膛線纏距為1/14英寸，膛線纏距小彈頭自轉速度就快穩定性就更高，火藥能量利用率相對就高，初速也就隨之提高，弊端就是會造成過穩定；對射擊精度有一定的影響，由於彈道是條曲線，如果彈頭穩定性過高在飛過彈道的最高點後會側著身飛，和逐漸下降的彈頭的迎風角，角度會越來越大直到彈頭在風阻作用下翻轉失去精度。只有當自轉縱軸與彈道切線接近重合才更有利於精度，為了更高的射擊精度柯爾特公司研發出了AR-15步槍602型。其中纏距改為1/12英寸，比原來更大了，更有利於射擊精度。
602型
消焰器由原來的圓柱裝三等分全開口的三瓣形狀，改為圓柱裝三等分開槽的形狀，主要是三等分全開口式的消焰器在作戰過程中很容易掛住衣物、雜草等物體，圓柱裝三等分開槽的消焰器就不會出現這種情況。
601型消焰器
602型的消焰器
AR15的導氣方式:
AR-15系列槍械實際上並不是真正意義的直接導氣式，因為氣體通過導氣管不是直接吹向槍擊框，而是吹向槍擊框內的氣室，氣室起到了活塞的作用，當燃氣進入導氣室內部開始膨脹做功，槍擊框會在燃氣的推動下，沿著曲線槽移動一小段距離，其目的就是使膛壓降到正常值，最後通過槍機框上的曲線槽帶動槍擊旋轉開鎖，這時槍擊頭部的凸筍會與槍管節套內的連接凹槽脫離，形成開鎖狀態並完成抽殼、退殼的過程。
美國空軍在德克薩斯州的一個空軍基地試驗了AR-15，事後李梅將軍立即決定採購8,500支AR-15步槍（以601型為主，602型也有被少量購買）以代替戰略空軍司令部的崗哨所裝備的M2卡賓槍，此舉令AR-15避免夭折。柯爾特用同樣的方法去影響美國國防部高級研究計劃局。1962年AR-15在越戰中表現突出，AR-15更適合身材矮小的南越政府軍士兵使用，麥克納馬拉在1963年1月23日命令停產M14。此時，空軍已經將在越南使用的經過改進的AR-15（柯爾特604型）命名為XM16。在1963年11月4日，柯爾特公司又獲得一份生產104,000支XM16的合同，XM16也就是M16步槍的原型。
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