M4卡賓槍的設計可追溯至早期卡賓槍版本的M16。它們全是由尤金·斯通納開發的CAR-15發展而來，而M4的長度比M16A2型突擊步槍較短，重量也較輕，兩者之中有八成的部件可以共享。一些M4A1裝配較厚較重的槍管，以減低全自動開火時所産生的熱力，并且加厚鋁質隔熱層。全數M4及M4A1均使用5.56mm口徑的SS109子彈，而且仍采用M16特有的氣體直推傳動方式。
型号
M4/M4A1
M4跟M4A1最主要的分别是，M4擁有“S-1-3”系統（保險/單發/三點發）扳機，而M4A1則擁有“S-1-F”系統（保險/單發/全自動）扳機，早期型采用固定提把，隻有三點發的M4已被全自動M4A1取代。
M4 MWS 模組化武器系統
M4的模組化武器系統（Modular Weapon System）版本，簡稱M4 MWS（又曾名M4E2），是配備RIS護木的柯爾特M925卡賓槍，并配有大量戰術配件。當初配備RIS護木的柯爾特925型卡賓槍經過測試後原被定型爲M4E2，但這個名稱對已有的卡賓槍安裝這個護木後是否需也應更改名稱疑問而放棄此稱，美國陸軍野戰手冊中則把安裝RAS的M-4系列稱爲模塊化武器系統（Modular Weapon System）或簡稱M-4 MWS。
M4A1卡賓槍
M4A1卡賓槍（M4A1 carbine）是其中一種M4卡賓槍的衍生型，被用作特别作戰用途，亦是現在最常見的版本。現時主要裝備美軍各常規部隊及特種部隊，包括三角洲特種部隊、美國海軍海豹部隊、美國陸軍遊騎兵及美國海軍陸戰隊。
2007年4月19日，美國陸軍與M16/M4槍系制造商柯爾特，簽訂一筆總價值高達5080萬美金的M4/M4A1卡賓槍生産合約，預計合約内容于2008年7月30日前全數執行完畢。
SOPMOD Block I
USS爲其轄下部隊開發的M4卡賓槍改裝套件 Special Operations Peculiar Modification（SOPMOD） Block I。
配件：
KAC RIS（Rail Interface System）導軌KAC前置折疊式機械瞄具及KAC後置折疊式機械瞄具可快速安裝及拆下的M203榴彈發射器KAC 消聲器AN/PEQ-2A雷射/紅外線指示器Trijicon's ACOG瞄準鏡reflex紅點瞄準鏡夜視鏡M68 CCO紅點瞄準鏡EOTech反射式瞄準鏡
SOPMOD Block II
第二代的SOPMOD改裝套件（又稱SOPMOD II），是Block I的更新改進版本。現由多間公司生産，包括KAC（Knight's Armamentpany）、ARMS（Atlantic Research Marketing Systems）、Lewis Machine & Tools，而Daniel Defense則生産RIS-II（新一代戰術導軌）。
由不同公司生産的M4卡賓槍已在特種部隊服役，澳大利亞的澳大利亞特種空勤團（SASR）使用柯爾特的出口型M4，英國的特種空勤團（SAS）使用加拿大迪瑪科SFW。
其他
CQBR—是以更換M4卡賓槍上機匣及短槍管的近戰步槍，槍管隻有10.3英吋（260毫米）。CQA卡賓槍—中國北方工業的平頂仿制版本。迪瑪科SFW及迪瑪科C8—由加拿大迪瑪科生産，與M4/M4A1卡賓槍相似。
随着M16A2的研制成功，美軍也開始考慮爲特種部隊研制發射SS109/M885彈的新型卡賓槍了。就像M16A2一樣，這種新型卡賓槍也是根據海軍陸戰隊的需求而在1983年開始設計的。當時海軍陸戰隊的武力偵察連（Force Recon）正式裝備的小型肩射武器隻是M3A1“注油槍”（非正式使用的是XM177E2），而 裝有M320榴彈發射器的M4卡賓槍裝甲車組成員也是使用M3A1，海軍陸戰連認爲應該爲這些人提供一種卡賓槍。最初柯爾特公司爲海軍陸戰隊研制的M16A2卡賓槍基本上隻是把M16A2上的改變應用到653型卡賓槍上，即更換了1/7纏距的14.5英寸（368mm）重型槍管，改用M16A2消焰器，用3發點射代替全自動射擊，改用M16A2的機械瞄準具。這種M16A2卡賓槍在1985年完成設計，柯爾特公司的型号編号爲720型，而在軍方的測試計劃中稱爲XM4。但國會否決了海軍陸戰隊的XM4采購預算，結果武力偵察連不得不采用海軍的HK MP5-N沖鋒槍來代替老舊的M3A1沖鋒槍，而其他的美軍特種部隊則在1988年開始使用的RO727等其他M16A2卡賓槍。
美國陸軍的試驗與鑒定司令部（T）在1986年4月重開XM4卡賓槍的研制工作和第2階段試驗。經過進一步試驗和改進後，XM4在1991年3月被正式定型并命名爲“美國5.56mm北大西洋公約組織口徑M4卡賓槍”（The United States Carbine, Caliber 5.56mm NATO, M4）。M4與其他M16A2卡賓槍最明顯的區别特征是其槍管在距離準星座前25mm的位置上加工了一個縮頸的形狀，這是在後來的試驗中爲了挂裝M203榴彈發射器而作出的改動。爲了能夠挂裝原有的M203榴彈發射器，M16A2在護木内的槍管直徑與M16A1是相同的，但卡賓槍的護木較短而護木外又采用M16A2式的厚槍管，因此柯爾特的工程師就在護木外的槍管中段加工了這個縮頸，這樣就能挂裝M203榴彈發射器。固定槍托也能裝上去用，但在美軍中并不常見有這樣做的。
M4卡賓槍還把原本隻有兩個固定位置的伸縮式槍托改爲有四個固定位置，再後來又改爲六個。另外M4的照門雖然是M16A2式的，但表尺最遠隻可調到600米，而非M16A2的800米。由于下機匣是M16A2的，因此射擊方式爲半自動和三發點射。由于M4和M16A2非常相似，事實上它們有80%的零件可以互換，因此最初也稱爲M16A2卡賓槍。M4首先裝備82空降師，用于取替M16A1/A2步槍、M3A1沖鋒槍和車輛駕駛員使用的部分9mm手槍，1994年正式列裝。
M4卡賓槍首次參加實戰是在1991年的海灣戰争，戰争爆發前美軍突然發現他們缺少新步槍，許多部隊仍在使用M16A1，而M16A2隻是在1986年才開始陸續裝備，有許多部隊還沒有完成換裝。由于需要盡快獲得大量的M16A2和M4，因此美國國防部批準增加M4的供應商，緬因州的大毒蛇輕武器公司（Bushmaster Firearms）獲得一份供應M4卡賓槍的采購合同，并爲陸軍供應了4,000支M4，這批槍在“沙漠盾牌”和“沙漠風暴”期間被第82空降師使用，據說施瓦茨科普夫将軍（Schwarzkopf）的衛兵也是使用大毒蛇M4。然而當時美軍還沒有取得M4的生産權（因爲美國政府已經獲得M16的生産權，因此當年才能把M16A2的生産合同判給FNMI），柯爾特威脅将會控告美國政府未經許可就向其他公司轉讓M4的工藝文件，結果大毒蛇就隻得到這一份M4的政府采購合同。
在M4裝備部隊後，柯爾特又設計了一種用皮卡汀尼導軌代替固定提把的平頂型機匣，方便安裝模塊化 裝有XM26散彈槍的M4卡賓槍的瞄準裝置。在1994年8月這項改進也被美軍接納，并把這種平頂型M4正式命名爲“美國5.56mm北大西洋公約組織口徑M4A1卡賓槍”（The United States Carbine, Caliber 5.56mm NATO, M4A1），在柯爾特公司的編号則爲927。由于特種部隊不喜歡M4卡賓槍的點射限制裝置而使用其他可全自動射擊的M16A2卡賓槍，因此M4A1也采用了M16A1的下機匣。但在試驗中發現M4A1的槍管容易過熱，有射手以全自動方式連續打完6個彈匣後護木就燙得不能直接用手去碰。盡管M4A1是一把卡賓槍而不是輕機槍，但爲解決這個問題柯爾特對護木進行了改進，把鋁制隔熱屏由原來的單層改爲雙層，因此也相應地加粗了護木直徑。這項改進後來也應用在新生産的M4卡賓槍上，所以早期的M4/M4A1上的護木和以前的M16卡賓槍是一樣的，而後來的M4/M4A1護木都比較粗。
在1994年，海軍陸戰隊發表了《任務需求文件1.14.》（Operational Requirements Document 1.14.），該文案中宣稱從長遠目光看待武力偵察連的任務，采用M4A1卡賓槍代替發射手槍彈的MP5-N沖鋒槍作爲CQB武器會更有效。通過一番努力，海軍陸戰隊最終獲得資金購買M4A1，但主要是裝備特種部隊。而美國陸軍也在1994年8月正式采用M4/M4A1卡賓槍，首先裝備特種部隊和快速反應部隊。
限制3發點射的M4卡賓槍多數裝備車組成員、機組成員、文書或軍官，例如M1坦克車組成員多年來是使用4支M3A1沖鋒槍作爲自衛武器的，現在則改爲兩支M4卡賓槍和兩把M9手槍。由于平頂型機匣方便安裝瞄準鏡，除了早期的訂貨是有A2提把外，現在美軍所有采購的M4均采用平頂機匣，配用的瞄準鏡主要爲Trijicon公司的TA11和TA31 ACOG及Aimpoint M68 CCO。目前的政府标準型M4系列爲柯爾特920型（平頂M4，快慢機爲“S-1-3”）和柯爾特921型（M4A1，快慢機爲“S-1-F”）。
配備KAC M4 RAS護木的柯爾特925型卡賓槍經過測試後被定型爲M4E2，但這個名稱似乎由于對已有的卡賓槍安裝這個護木後是否需也應更改名稱的困惑而被放棄。美國陸軍野戰手冊中把安裝RAS的M4系列稱爲模塊化武器系統（Modular Weapon System）或簡稱M4 MWS。
盡管M4A1是爲特種部隊研制的，但陸軍在1998年宣布，計劃在常規部隊中用帶RAS護木的M4A1取代M16A2作爲制式步槍，而原來的M16A2則轉交預備役部隊和海岸防衛隊（注：另一些資料指出換裝計劃是從1997年11月起進行，打算至1999年底全部換裝完畢）。爲什麽陸軍會打算用一種卡賓槍來取代标準的突擊步槍呢？陸軍的解釋是M4A1比M16A2輕，而且足以有效對付200米射程内的目标；有另一種解釋是當“陸地勇士”系統裝備部隊時，M4A1能夠減輕系統總重量。但其實還有另一個傳言，說陸軍内部有一些高級将領仍然對FNMI在1988年憑價格優勢擊敗柯爾特獲得M16A2的供應合同而耿耿于懷，因爲FNMI是外國背景公司。假如陸軍決定采用一種不同型号的步槍，這樣就有理由不繼續履行與FNMI的采購合同了。
對于M4A1的采購引發了許多争議，而且當柯爾特獲得陸軍的生産合同後，FNMI随即提出他們也能爲陸軍生産M4A1。陸軍拒絕了這個提議，于是FNMI向美國聯邦法院提出訴訟，指美國政府指定唯一的承包商是不公平的。聯邦法院在柯爾特的運動下駁回了FNMI的申訴，解釋說M4系列的技術是柯爾特專有的，而且按照柯爾特與陸軍在1997年12月達成的協議，軍方在2011年前都不得向其他生産商授予M4系列的生産權或轉讓工藝文件。
陸軍采購M4A1的高峰是在2000年前後，在2001年美國陸軍最終決定讓常規部隊裝備RAS護木的M16A4，似乎是對那個傳言的佐證，陸軍仍然是從柯爾特采購M16A4。
由于較短的槍管導緻初速較低和膛口噪聲較大，護木也比長步槍更容易發熱，因此海軍陸戰隊是在采用M4A1還是要保留M16A2的問題上反複争論，最終在2002年9月宣布将用帶RAS護木的M16A4代替M16A2，但卻是由FN生産的。在阿富汗戰場上許多徒步戰鬥的步兵抱怨M4A1存在射程不足的缺點，促進了海軍陸戰隊的這一項決定，然而在2003年入侵伊拉克的城市戰鬥中，那些仍在使用M16A2的機械化步兵卻認爲他們更需要像M4這樣短小精悍的輕武器，這是因爲城市中的戰鬥距離比阿富汗山區要近得多，而且即使在城郊作戰，這些機械化部隊成員都沒必要用手中的輕武器去對付300米外的目标，而那些抱怨M4A1射程不夠的部隊多數是缺乏重武器支援的輕步兵。
雖然M4系列的有效射程沒有長槍管的M16系列遠，但是許多軍事分析家認爲步兵輕武器大多數情況下不需要射擊300米目标，隻要在150m内有效就足夠了。M4系列由于緊湊的外形和強大火力（僅限可全自動的M4A1）适合CQB而受到反恐部隊和特種部隊的喜愛，這些優點也适用于城市戰鬥，因此在常規部隊的步兵班中，以M16A4爲主再搭配少量M4A1成爲流行的模式，而在特種部隊和空降部隊等快速反應部隊中，M4A1則是主戰武器，美國特種作戰司令部（USS）把M4A1采用爲制式步槍。
在近幾年，柯爾特又生産了加厚護木内槍管部分的M4A1或改裝套件，在槍管整體加厚後雖然會略爲增加重量，但全自動射擊時更耐熱也更準确。這些采用重型槍管的武器還配有一個重量稍大并被稱爲H2的新緩沖器。标準的H緩沖器裏面有一塊鎢和兩塊鋼組成的滑動配重，而新的H2緩沖器改爲兩塊鎢和一塊鋼。目前這些武器被稱爲柯爾特921HB型（重槍管），但軍隊采用的HB改進型并沒有重新命名，所以政府型M4A1是包括了921和921HB。
除了在美軍裝備外，M4系列也出口到其他國家，而柯爾特也向執法機構提供RO777、779、977和979這4種型号的M4/M4A1。
Colt公司除了RO977外，另外又向執法機構提供了一種槍管加長至16.1英寸的長槍管M4A1，名爲“執法型卡賓槍”（Law Enforcement Carbine），産品編号爲LE6920。随槍配兩個20發彈匣，當然使用者也可以自己買其他容量的彈匣了。LE6920有固定提把的機匣和平頂型機匣兩種類型，下機匣有三發點射和連發兩種射擊方式。
目前柯爾特M4被限制隻能向軍隊和執法機構銷售，隻有特殊條件下才能允許平民擁有政府型M4/M4A1。按照BATF的定義，14.5英寸槍管被劃分爲“短槍管步槍”的級别（BATF的“短槍管步槍”定義是“一支步槍有一或多根槍管的長度短于16英寸，而且全長不應短于26英寸的全部長度），屬于三級武器類别，而能夠連發（包括點射模式）的武器被劃分爲機槍類别。購買三級武器或機槍類武器都必須向BATF申請并交納印花稅，而且民間機槍類武器隻能擁有1986年以前生産和出售的，因爲聯邦法律規定從1986年5月19日起就禁止美國的生産商和經銷商向民間銷售機槍類武器（注：進口機槍的平民擁有權被限制在1968年之前進口的槍）。唯一的例外是特殊職業納稅人（Special upational Taxpayers，簡稱SOT），他們是那些生産和進出口機槍的經銷商和生産商。同樣還有私人保安或軍事企業，如保安承包商等。隻有在1986年5月19日前生産的最早的柯爾特M4原型才能合法讓一個非SOT平民合法擁有的。
據說柯爾特所獲得的爲美國政府生産M4系列的獨家合同是一直簽到2009年的，但出口的M4并非都是柯爾特的産品，根據SecurityArms上的一個管理員PIERANGELO TENDAS（意大利人）給我提供的消息，意大利特種部隊采用的M4A1就是大毒蛇的産品。此外在民間，有許多生産商生産外表非常接近軍用M4的武器，被稱爲M4 style步槍（M4式樣步槍）。通常這種外形像M4的武器都采用16英寸槍管（避開三級武器的類别）而且隻能是半自動，它們都模仿M4在槍管中段有一個縮頸，雖然許多購買這些的假M4的人大部分都不會購買一個M203榴彈發射器（屬于三級武器而且貴），但就沖着“M4”這個名稱而專門購買這種槍管上有縮頸的短AR-15步槍。生産民用的M4 style有許多生産商，大毒蛇、奧林匹克等也是較有名氣的。
由于柯爾特要維護他擁有的M4的名稱和外形設計的獨家權利，對此種情況一直有所不滿；而其他生産商則長期以來聲稱柯爾特過份誇大他們的權利——他們說“M4”現在成爲一個統稱短M16/AR-15的術語了。在2004年4月内，柯爾特向HK和大毒蛇提出商标侵權、貿易侵權和商标稀釋的訴訟，指他們故意錯誤地使用商品名稱，又侵權了柯爾特的專利，而且采用了不公平競争和欺騙性貿易的手段。HK的申訴被法院駁回，因此HK不得不把他們的活塞短行程HKM4改變外形設計，并改名爲HK416。然而在2005年12月8日，一個緬因州的聯邦地方法院法官作出的裁判支持大毒蛇（和FN的情況相類似，似乎又是地方保護主義作怪）。由于柯爾特對大毒蛇的訴訟等于實際上輸掉了“M4”這個商标，所以法院幹脆直接撤銷了柯爾特所持有的M4商标專利權。
改良型号
改型SOPMOD M4/CQBW M4卡賓槍
有鑒于長期以來，許多爲卡賓槍提供各類瞄準具、燈具及其他戰術附件的廠家都沒有一個安裝接口的标志，USS（美國特種作戰司令部）在1989年9月開始嘗試制訂了一套近戰卡賓槍的附件接口标準，并在1992年5月15日正式提出稱謂SOPMOD的計劃名稱，SOPMOD的意思是“特種作戰改進型”。SOPMOD計劃是由USS、海軍特種作戰部隊、空軍、陸軍海軍等其他特種部隊共同提出，并委托NSWC（海軍武器研究中心）負責研究的。1999年5月開始在海軍和空軍提供以M4A1卡賓槍爲武器平台的SOPMOD進行試驗。注意，這種稱爲SOPMOD M4的系統在NSWC的計劃中僅是稱之爲SOPMOD Block1。
第1代SOPMOD M4生産的主要承包商是KAC（奈特軍械公司），SOPMOD M4并不隻是一支卡賓槍，而是一個以M4A1爲基礎的模塊式突擊步槍系統，主要模塊包括一個有上下左右四段M1913标準導軌的RIS護木、縮短的快卸M203榴彈發射器及其瞄準具、一個KAC快速拆卸（QD）消聲器、KAC後備照門、一支戰術燈、一個AN/PEQ-2可見光/紅外激光指示器，還有Trijicon的ACOG和反射式瞄準鏡及一個夜視瞄準鏡，但也有許多士兵把Trijicon反射瞄準鏡換成M68 CCO或EOTech全息瞄準鏡。目前SOPMOD M4已經裝備包括海豹在内的多個特種部隊了，當SOPMOD M4配上一些近戰用的戰術附件時，又會稱之爲CQBW M4，即“室内近戰武器型M4”，實際上都是同一個東西來的。
第二代的SOPMOD Block2（現在命名爲SOPMOD II）現正在研制中，有許多不同的生産商在競争這份合同，包括KAC的URX II系統，ARMS公司的SIR系統（Selective Integrated Rail），還有路易斯機器和工具公司（Lewis Machine & Tool）的MRP（Monolithic Rail Platform），而改進的其他項目還包括增強M203榴彈發射器的夜間瞄準能力，改進或研制新的榴彈發射器（EGLM計劃），擴展通用的消聲器（包括應用于輕機槍及其他武器上），升級/改進現有的各種戰術附件等等。由于SCAR計劃已經選定了FN公司的樣槍，SOPMOD II的戰術配件将會應用到SCAR上（SCAR已經确定将使用EGLM榴彈發射器）。 M4卡賓槍
改爲發射7.62毫米北約槍彈的M-4卡賓槍
由于小口徑突擊步槍被認爲認爲不适應山地作戰，且在阿富汗戰場表現不佳。所以美國軍方業已研制出升級版M-4卡賓槍。
M-4型卡賓槍的前身是M-16突擊步槍，這種武器非常适合短距離和小規模的作戰，曾在伊拉克的巷戰中表現出色。
但美軍随後發現，5.56毫米口徑的M-16和M-4能夠達到的最遠射擊距離隻能是1000英尺(約300米)左右，這對在遍布高山峽谷的阿富汗作戰的士兵來說顯然已無法滿足需求。
因此，美國軍方研制了這種7.62毫米口徑，射程可達2500英尺(約800米)的改進型M-4卡賓槍。