进入1990年代，由于ACR计划夭折，美国军方已经看不到依靠现有技术为士兵提供革命性的制式步枪，因此他们倾向于对原有武器进行修改，于是出现了M16A2的改进型M16A3。

　　M16A3保留M16A2的基本特征不变，只是作少量的改进，其基本宗旨是大幅度地提高射击精度，并不打算采用任何高新技术，因此最初的打算是在三年内（1993年至1995年）内广泛装备M16A3。由此可见M16步枪本身并没太大改进的余地，主要的发展潜力在于采用新型的光学瞄准镜和夜视仪等瞄准系统。

　　当时M16A3的计划是在借鉴一种为M16A2开发的名为“SERFS”系统的护木（就和现在的KAC生产的RIS护木类似），在增设的M1913标准导轨上可选择地安装新型的瞄具。具体方案是：在M16上下左右各设一导轨，取消M16机匣上方的提把，上方的导轨从机匣上方延伸至枪管前端；前护木下的导轨上安装折叠式小握把，或安装M203榴弹发射器；其他的导轨可以激光瞄准器、光学瞄准具等。M16A3安装了铝合金制的“SERFS”系统后重量比M16A2减轻0.23kg。但因经费紧张，估计只能为每个步兵班配备3~4支M16A3。据传当时美国陆军军械、弹药和化学司令部已经与M16A2的生产商签订了2,710万美元的合同，对64,725支M16A2进行改进。

　　M16A2生产商FNMI的M16A3改进计划，被称为“FIRM-M16”（上）。同的改装也可以M4上实现，被称为“FIRM-M4”（下）。FIRM除了瞄准镜座导轨外，还有一个新的消焰器。由于美军不会装备MIRM-M16，所以FNMI只 能直接向使用者推销“FIRM”的配件。

　　到了1990年代中期，始终没有关于M16A3定型的报道。除了关于美军特种部队和快速反应部队大量装备M4卡宾枪外的报道外，通过各类新闻片断中看到在世界各地奔波的美军手上仍然是M16A2，或者是根本就没有必要花那么多的钱改装一支专门安装先进瞄准具的M16A3，只需要直接在M16A2上安装瞄准具就可以了。然后，到了1997年11月，美国陆军开始全面换装制式步枪，但接任的不是M16A3，而是M4系列卡宾枪。

　　再后来，一些被认为是传说中的M16A3和M16A4的实物图片出现了。M16A3的外形和1990年代初的设想相去甚远，它的改进仅仅是将固定的提把改为整合M1913导轨的平顶型机匣的结构（即和M4A1相同），其他方面完全保留了M16A2的特征，不过M16A3能全自动射击，和M16A1一样。而M16A4的改进则较大，除了把M16A3的护木改为KAC公司生产的RIS护木套件（和SOPMOD M4/M4 CQBW相同）外，还对发射机构作出了些改进以提高可靠性能。到2002年底，海军陆战队正式宣布采用M16A4。