美国早在20世纪30年代就出现过小口径步枪弹，而且有些子弹弹道表现优异，不过只在民用栓动步枪使用，因为美国军方一直认为全威力步枪弹初速高、动能大、远距离存速性能好，比小口径步枪弹更具优势。
直到1948年美国军方对战场作战武器以及方式产生了兴趣，并在约翰斯·霍普金斯大学成立了民间研究机构作战研究室（Operations Research Office，简称ORO），主要是对战场伤亡、火力压制、作战方式等指标进行研究，最终研究得出的结论是使用像M1加兰德那样只追求远射程和精确射击等根本没有什么意义，因为二战士兵交战双方多数受到地形以及其他环境因素的影响，双方交战距离多在300米以内，甚至有些在100米以内。而且士兵在不停地移动，步枪根本没有机会精确瞄准，完全可以发展一种使用小口径、高射速、近距离弹道优异的新型弹药的步枪。
M1加兰德
其中参与该项目的枪械师唐纳德·赫尔也已经发现0.22英寸（5.59毫米）的子弹与更大的子弹相比，两者子弹性能是相同的，这样就可以降低武器的后坐力，但仍具有很高的射速，给目标造成更大的伤害，为了进一步验证小口径子弹的性能，唐纳德·赫尔的同事威廉姆斯·C·小戴维斯和G·A·加斯塔夫生，也开始对一系列的试验性0.224英寸（5.69毫米）子弹进行研究。1955年，当他们申请研究经费时被军方否决。
于此同时，美国陆军成立了一个新的研究项目，也就是SALVO（齐射），主要是为了找到一种符合现代战斗需要的武器而设立。在1953到1957年之前的两期计划里，SALVO(齐射）第一期得出的结论，如果步枪能够连续射击4发子弹，并将这些子弹的散布控制在20英吋（0.5米）见方的范围内，那么它将命中率将是现有半自动武器的两倍。
在第二期计划SALVO 里，测试了几种试验概念性武器。AAI的爱尔文·巴尔提出了一系列的镖弹武器。第一种是装配32支镖的霰弹枪，而最后一种是单发镖弹的步枪。斯普林菲尔德兵工厂和温彻斯特生产了多枪管的武器。而作战研究室自己的设计使用两种新枪弹，将0.22，0.25或0.27弹头装在一个温彻斯特0.308或斯普林菲尔德0.30-06子弹弹壳里。
至此，SCHVO的理论研究有了，技术探索（.22英寸口径卡宾枪）也有了，但是当时美国陆军军械部门顽固地坚持使用M14步枪，所以关于SCHVO2研究一直没有得到足够的重视。
M14步枪
到1957年，美国大陆军团司令部的司令官威莱德·维曼（Willard G. Wyman）将军收到了1955年加斯塔夫生书写的关于测试小口径弹药的经费申请，并对小口径高速步枪弹表现出浓厚的兴趣。在他的带领下，美国军方正式寻求小口径步枪以取代现在使用的M14步枪。不过其明确要求新步枪必须具备以下特点:
第一，新步枪要具备单发与全自动的切换模式。
第二，可以使用20发子弹的弹匣，而且重量低于6磅（2.7千克）。
第三，子弹在500码（460米）远的距离可以穿透美国钢制头盔，防弹衣，或是一块0.135英寸（3.4 mm）的钢板。
第四，伤害能力要达到或超过0.30卡宾枪。
AR-15步枪
由于阿玛莱特公司有早期设计AR-10突击步枪的经验，所以维曼将军一直都很看好AR-10突击步枪，与此同时温彻斯特也推出了一种基于他们M1卡宾枪的设计。不过M1卡宾枪的空枪重量达到了2.89千克，装满弹药时3.5千克。即使将AR-15将铝合金与不锈钢混合型枪管换成简单的全钢类型，也要比比温彻斯特的设计轻了一磅（450克）以上。
在维曼将军支持下，阿玛莱特公司把早期的AR-10突击步缩小口径，用于发射.222英寸雷明顿民用步枪弹，改进后的步枪称之为AR-15。但是早期的.222英寸雷明顿民用步枪弹由于发射药量少，初速和侵彻力都存在着不足，无法对防弹衣以及头盔有效的穿透，显然不符合美军对新型弹药的要求。
0.222雷明顿子弹AR-15原型枪
于是雷明顿公司在设计师尤金·斯通纳要求下以.222英寸雷明顿民用步枪弹为基础研发一种新弹药，新弹药为0.224英寸（5.56毫米）口径的铜质被甲弹头，弹头重55格令（3.6克）。在0.222雷明顿子弹的基础上拉长了弹壳以及增加了发射药，这种弹药称为.222雷明顿特种弹，后来为了与春田兵工厂的.222雷明登-马格南弹（.222 Remington Magnum）进行区分，.222雷明顿特种弹改名为.223雷明顿弹，被阿玛莱特AR-15获得采用并改进后，.223雷明顿弹便被正式定型为5.56×45mm步枪弹，成为世界上第一种实用的小口径步枪弹。M193普通弹为尖头锥底铅芯被甲弹头，无突缘式瓶颈形铜弹壳，最大膛压359MPa，初速为997m/s；而且在450m射程上可以穿透美国M1A1标准钢盔（厚1.31mm）的一侧，因此符合美国军方对新弹药的要求。
使用5.56×45mm步枪弹后，由于其膛压比.223雷明顿弹更大，不得不对步枪做进一步改进。主要变化如下:
①因此AR-15的枪管由铝和钢的混合型改为全钢材料的枪管，并采用短的棒状消焰减震器。
②把提把内的钩型拉机柄改成了提把后方的Ｔ型拉机柄。
早期拉机柄在提把的内部
拉机柄从提把内部改为机匣后方
③增大了觇孔式照门护翼尺寸
增大了觇孔式照门护翼尺寸
④在1960年6月4他们又改进了保险/快慢机模式选择按钮，原本向前旋转为全自动模式，向上旋转为安全模式，向后旋转为半自动模式；改进后向前旋转为安全模式，向上旋转为半自动模式，向后旋转为全自动模式。
改进前的模式选择旋钮
改进后的选择模式旋钮
其他方面则与AR-10基本一样。斯通纳的AR-15步枪可以说是集合了许多步枪的优点:M1941约翰逊步枪的闭锁装置；FN FAL的机匣盖和枪尾；英国EM2的带有照门的提把；德国MP44突击步枪的抛壳口防尘盖等。不过斯通纳设计的导气系统减少了几个活动零件，使步枪操作更简单，生产成本更低。
但遗憾的是阿玛莱特公司当时并不具备给枪管镀铬的能力，对自动武器来讲枪管镀铬不但可以提高子弹射击精度以及稳定性，而且可以抵抗腐蚀，提高枪管使用寿命。
柯尔特轻武器公司收购AR-15步枪
1958到1959年期间，AR-15步枪在两次的陆军测试中都出现了故障，主要表现为如枪口焰大、精度不好、侵彻力差、使用30发弹匣时故障率高，而且当雨水进入AR-15的枪管中时发射会导致膛炸。阿玛莱特决定停止对AR-15的研究，并在1959年12月把AR-15的设计、生产与销售权以现金75,000美元和日后4.5%的销售提成卖给了柯尔特轻武器公司。
柯尔特公司进一步完善了AR-15的设计，作为柯尔特最初的AR-15的型号601型，基本上只是最初阿玛莱特步枪的复制品（事实上这些早期的型号经常被发现印着柯尔特/阿玛莱特AR-15）。
AR-15步枪601型
601型（Model 601）的柯尔特AR-15，图中的早期弹匣仍然是阿玛莱特的钢制弹匣，后来才改为铝合金弹匣
601型在弹匣释放钮周围是“平”的，没有防止误操作的“凸起”
601型的膛线缠距为1/14英寸，膛线缠距小弹头自转速度就快稳定性就更高，火药能量利用率相对就高，初速也就随之提高，弊端就是会造成过稳定；对射击精度有一定的影响，由于弹道是条曲线，如果弹头稳定性过高在飞过弹道的最高点后会侧着身飞，和逐渐下降的弹头的迎风角，角度会越来越大直到弹头在风阻作用下翻转失去精度。只有当自转纵轴与弹道切线接近重合才更有利于精度，为了更高的射击精度柯尔特公司研发出了AR-15步枪602型。其中缠距改为1/12英寸，比原来更大了，更有利于射击精度。
602型
消焰器由原来的圆柱装三等分全开口的三瓣形状，改为圆柱装三等分开槽的形状，主要是三等分全开口式的消焰器在作战过程中很容易挂住衣物、杂草等物体，圆柱装三等分开槽的消焰器就不会出现这种情况。
601型消焰器
602型的消焰器
AR15的导气方式:
AR-15系列枪械实际上并不是真正意义的直接导气式，因为气体通过导气管不是直接吹向枪击框，而是吹向枪击框内的气室，气室起到了活塞的作用，当燃气进入导气室内部开始膨胀做功，枪击框会在燃气的推动下，沿着曲线槽移动一小段距离，其目的就是使膛压降到正常值，最后通过枪机框上的曲线槽带动枪击旋转开锁，这时枪击头部的凸笋会与枪管节套内的连接凹槽脱离，形成开锁状态并完成抽壳、退壳的过程。
美国空军在德克萨斯州的一个空军基地试验了AR-15，事后李梅将军立即决定采购8,500支AR-15步枪（以601型为主，602型也有被少量购买）以代替战略空军司令部的岗哨所装备的M2卡宾枪，此举令AR-15避免夭折。柯尔特用同样的方法去影响美国国防部高级研究计划局。1962年AR-15在越战中表现突出，AR-15更适合身材矮小的南越政府军士兵使用，麦克纳马拉在1963年1月23日命令停产M14。此时，空军已经将在越南使用的经过改进的AR-15（柯尔特604型）命名为XM16。在1963年11月4日，柯尔特公司又获得一份生产104,000支XM16的合同，XM16也就是M16步枪的原型。
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