Все же решено было модернизировать М16, что и осуществили специалисты фирмы Colt (приобрела права на производство AR-15 еще в 1959 г.) в 1967-69 гг., создав модель М16А1. От базовой она отличается наличием зубцов на правой стороне затвора и рамы толкателя, которые служат для ручного возвращения затвора в переднее положение в случае его недохода или отскока. Кроме того, М16А1 имеет несколько больший вес, увеличенный за счет уменьшения хода затвора темп стрельбы, большую надежность работы. Одновременно был введен секторный магазин на 30 патронов. В патроне был заменен сорт пороха, что уменьшило разгар ствола и засорение газоотоводной трубки. Кроме Colt Industries к производству М16 по заказам Министерства обороны США привлекались фирмы Hydramatic Division (подразделение General Motors) и Harrington & Richardson. Для взведения ударного механизма необходимо отвести рукоятку взведения назад за ее захваты в задней части ствольной коробки. Если магазин пуст, то подаватель магазина идет вверх и фиксирует затвор в заднем положении (кнопка затворной задержки находится слева впереди спусковой скобы). В противном случае затвор возвращается вперед, при этом извлекает верхний патрон и досылает его в патронник. Затвор останавливается, когда патрон полностью вошел в патронник, но затворная рама продолжает двигаться, и вырезы в ней проворачивают затвор против часовой стрелки, а восемь запирающих выступов входят в упоры ствола. После установки переводчика вида огня в нужное положение и нажатия на спусковой крючок происходит выстрел. Шептало выходит из зацепления с вырезом на курке, курок, поворачиваясь, бьет по ударнику, который, свою очередь, накалывает капсюль патрона. Когда пуля проходит дальше отверстия в стенке канала ствола, часть газов поступает в газовый канал и через газовый регулятор направляется к затворной раме. Роль поршня затворной рамы играет короткая трубка в ее верхней части. Под действием давления газов рама движется назад, поворачивая и отпирая затвор. После этого она захватывает затвор и продолжает откат вместе с ним. Выбрасыватель извлекает гильзу из патронника, подпружиненный толкатель отражателя на зеркале затвора выбрасывает ее в окно на правой стороне ствольной коробки. Затворная рама продолжает движение назад, сжимая возвратную пружину и взводя курок. Реакция амортизатора отдачи и разжимание возвратной пружины посылают раму вперед, цикл повторяется. Ударно-спусковой механизм смонтирован в отдельном корпусе и допускает ведение одиночного и непрерывного огня. На левой стороне штампованной ствольной коробки над пистолетной рукояткой располагается флажковый переводчик-предохранитель. Спусковой механизм создан на основе механизма винтовки M1 Garand. Курок имеет вырезы рядом с осью своего вращения, с которыми входит в зацепление шептало. Причем второй вырез, расположенный внизу, обеспечивает фиксацию курка подпружиненным шепталом разобщителя при стрельбе одиночными. В этом случае затворная рама отводит курок в заднее положение, разобщитель, под действием пружины, поворачивается вперед и его шептало блокирует ход курка. Для производства следующего выстрела необходимо сначала отпустить спусковой крючок, в результате чего шептало разобщителя расцепляется с ним, а шептало спуска входит в зацепление с вырезом на курке. Этот процесс повторяется каждый раз в указанном режиме. При непрерывной стрельбе работа механизма отличается тем, что выступ переводчика блокирует разобщитель, который не участвует в процессе. Для предотвращения удара курка по ударнику до того, как затвор запер канал ствола, курок удерживается шепталом автоспуска, которое выводится из заблокированного положения затворной рамой на последнем этапе ее движения. Если спусковой крючок отпустить, то курок будет удерживаться не автоспуском, а шепталом спуска. Треугольная стойка мушки смещена назад для возможности выстреливания с пламегасителя оперенных винтовочных гранат. Прицел укрыт в рукоятке для переноски, его регулировка производится специальным маховчиком по числу щелчков. Гнездо магазина расположено впереди спусковой скобы, а клавиша магазинной защелки - справа под окном ствольной коробки. Приклад, цевье и пустотелая пистолетная рукоятка выполнены из черного пластика, соответствующим по цвету общей отделке (анодирование) металлических частей винтовки.