M4卡宾枪首次参加实战是在1991年的海湾战争，战争爆发前美军突然发现他们缺少新步枪，许多部队仍在使用M16A1，而M16A2只是在1986年才开始陆续装备，有许多部队还没有完成换装。由于需要尽快获得大量的M16A2和M4，因此美国国防部批准增加M4的供应商，缅因州的大毒蛇轻武器公司（Bushmaster Firearms）获得一份供应M4卡宾枪的采购合同，并为陆军供应了4,000支M4。 在M4装备部队后，柯尔特又设计了一种用皮卡汀尼导轨代替固定提把的平顶型机匣，方便安装模块化的瞄准装置。在1994年8月这项改进也被美军接纳，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），在柯尔特公司的编号则为927。由于特种部队不喜欢M4卡宾枪的点射限制装置而使用其他可全自动射击的M16A2卡宾枪，因此M4A1也采用了M16A1的下机匣。但在试验中发现M4A1的枪管容易过热，有射手以全自动方式连续打完6个弹匣后护木就烫得不能直接用手去碰。尽管M4A1是一把卡宾枪而不是轻机枪，但为解决这个问题柯尔特对护木进行了改进，把铝制隔热屏由原来的单层改为双层，因此也相应地加粗了护木直径。这项改进后来也应用在新生产的M4卡宾枪上，所以早期的M4/M4A1上的护木和以前的M16卡宾枪是一样的，而后来的M4/M4A1护木都比较粗。 在1994年，海军陆战队发表了《任务需求文件1.14.》（Operational Requirements Document 1.14.），该文案中宣称从长远目光看待武力侦察连的任务，采用M4A1卡宾枪代替发射手枪弹的MP5-N冲锋枪作为CQB武器会更有效。通过一番努力，海军陆战队最终获得资金购买M4A1，但主要是装备特种部队。而美国陆军也在1994年8月正式采用M4/M4A1卡宾枪，首先装备特种部队和快速反应部队。 配备KAC M4 RAS护木的柯尔特925型卡宾枪经过测试后被定型为M4E2，但这个名称似乎由于对已有的卡宾枪安装这个护木后是否需也应更改名称的困惑而被放弃。美国陆军野战手册中把安装RAS的M4系列称为模块化武器系统（Modular Weapon System）或简称M4 MWS。 尽管M4A1是为特种部队研制的，但陆军在1998年宣布，计划在常规部队中用带RAS护木的M4A1取代M16A2作为制式步枪，而原来的M16A2则转交预备役部队和海岸防卫队（注：另一些资料指出换装计划是从1997年11月起进行，打算至1999年底全部换装完毕）。为什么陆军会打算用一种卡宾枪来取代标准的突击步枪呢？陆军的解释是M4A1比M16A2轻，而且足以有效对付200米射程内的目标；有另一种解释是当“陆地勇士”系统装备部队时，M4A1能够减轻系统总重量。但其实还有另一个传言，说陆军内部有一些高级将领仍然对FNMI在1988年凭价格优势击败柯尔特获得M16A2的供应合同而耿耿于怀，因为FNMI是外国背景公司。假如陆军决定采用一种不同型号的步枪，这样就有理由不继续履行与FNMI的采购合同了。 陆军采购M4A1的高峰是在2000年前后，在2001年美国陆军最终决定让常规部队装备RAS护木的M16A4 由于较短的枪管导致初速较低和膛口噪声较大，护木也比长步枪更容易发热，因此海军陆战队是在采用M4A1还是要保留M16A2的问题上反复争论，最终在2002年9月宣布将用带RAS护木的M16A4代替M16A2，但却是由FN生产的。在阿富汗战场上许多徒步战斗的步兵抱怨M4A1存在射程不足的缺点，促进了海军陆战队的这一项决定，然而在2003年入侵伊拉克的城市战斗中，那些仍在使用M16A2的机械化步兵却认为他们更需要像M4这样短小精悍的轻武器，这是因为城市中的战斗距离比阿富汗山区要近得多，而且即使在城郊作战，这些机械化部队成员都没必要用手中的轻武器去对付300米外的目标，而那些抱怨M4A1射程不够的部队多数是缺乏重武器支援的轻步兵。 虽然M4系列的有效射程没有长枪管的M16系列远，但是许多分析家认为步兵轻武器大多数情况下不需要射击300米目标，只要在150m内有效就足够了。M4系列由于紧凑的外形和强大火力（仅限可全自动的M4A1）适合CQB而受到反恐部队和特种部队的喜爱，这些优点也适用于城市战斗，因此在常规部队的步兵班中，以M16A4为主再搭配少量M4A1成为流行的模式，而在特种部队和空降部队等快速反应部队中，M4A1则是主战武器，美国特种作战司令部（USSOCOM）把M4A1采用为制式步枪。 美国陆军在1990年代中期宣布将使用装备M4/M4A1，其原因据说是为了将来采用“陆地勇士”系统的时候能够减轻单兵负荷。但有另一种传言指出，“陆地勇士”系统近期内不会开放完成，其实是陆军内一些高层人士始终对于M16A2要向FNMI这家外国公司采购而感到耿耿于怀，正好柯尔特拥有M4系列的独家专利权，于是就决定向柯尔特购买新枪。 继美国陆军宣布装备M4/M4A1后，美国海军陆战队也宣布全面装备M4/M4A1，以代替原来使用的M16A2。在2002年下半年，经过一番辩论后，美国海军陆战队司令James Jones将军通过《海军陆战队时报》正式宣布，美国海军陆战队经过2年的测试和评比，最终决定放弃全面换装M4而装备M16A4，装备时间从年底开始。但海军陆战队也不打算全面装备M16A4，机械化部队仍然会以M4作为主要武器。 尽管M4/M4A1在步兵战斗的射程内已经有足够的精确，但海军陆战队还是决定选择射程更远的M16A4。为什么海军陆战队会走回头路，重新选择20英寸长的枪管呢？来自阿富汗的一些报道似乎说明了海军陆战队的选择：SS109/M885弹在阿富汗战场上表现出缺乏杀伤力，特别是在使用M4或C8卡宾枪发射时。SS109/M885要达到有效杀伤，命中目标时的弹头速度必须在732m/s以上，弹头以这个速度穿过一段距离后开始偏转，偏转时造成较大的创伤。而M4/M4A1的初速较低，创伤效果不理想，致使有些部队采用比较重的商业用比赛弹头，以提高终点弹道性能，更有些部队建议采用新的枪弹，在《美军在阿富汗的步兵装备使用调查报告节选》一文中就有提及到这一点。 然而，海军陆战队仍然是以M16A2为主要武器，直到2003年伊拉克战争开战前，才紧急运送了31,000把M16A4到伊拉克，开战后，有更多的M16A4送到科威特，但由于部队已经开拨前线，结果直到正面战斗结束前一直留在科威特。由于数量不足，主要是作为SAM步枪，而陆军的第三机步师早已全面换装M16A4，看来陆军虽然也意识到14英寸枪管不可能全面代替20英寸枪管。不过有意思的是，这次的M16A4由两家供应商提供，供应陆军的是柯尔特，而供应海军陆战队的是FNMI，看来陆军是铁了心不向FNMI订购制式步枪了。 M16A4是在M4A1卡宾枪之后大约一年推出，两者结构相似，许多部件通用。它是将枪械作为一个模块、火控系统作为一个模块来设计的。瞄具采用了许多的新技术，但枪械本身改进不多。机匣为平顶式，上端有MIL-STD-1913皮卡汀尼导轨，可安装瞄准设备或可拆卸提把。枪机和其他M16系列一样有特富龙润滑涂层，以提供可靠性。重型枪管上刻有适用的枪弹、膛线形成的数字。美国陆军和海军陆战队的M16A4均采用KAC公司的M5 RAS护木，可安装直握把、激光指示器、战术灯和其他配件，护木内侧有铝制的隔热屏。固定式枪托后部可装擦拭工具。在美国陆军野战手册中，M16A4安装RAS有时被称为M16A4 MWS或模块化武器系统。