Le M16A2 a été développé à la demande de l’US Marine Corps à la suite de l’expérience de combat au Vietnam, et a été adopté en 1982. Les modifications étaient importantes, notamment de nouvelles rayures plus rapides (1 tour tous les 7 pouces, en remplacement du taux de rotation de 1:12 du M16A1) pour permettre l’utilisation de la cartouche SS109 plus lourde, un canon plus lourd pour résister à la flexion et réduire la surchauffe en cas de tir soutenu, une lunette de visée réglable pour permettre la visée à des distances comprises entre 300 et 800 mètres afin de tirer pleinement parti des caractéristiques balistiques de la SS109, ainsi que des réglages de la visée sans l’utilisation d’outils spéciaux ou d’une cartouche. La crosse a été allongée de 5⁄8 in (15,9 mm). Les garde-mains sont passés du modèle triangulaire à fente verticale à la version ronde à fente horizontale que l’on trouve sur les carabines. Une encoche pour le majeur a été ajoutée à la poignée pistolet. Le cache-flamme a été fermé à la base pour éviter que des saletés ne soient soulevées lors d’un tir couché. Un déflecteur de douille a été ajouté à la partie supérieure de la carcasse pour éviter que la douille usagée n’atteigne les tireurs gauchers. Le réglage automatique du A1 a été abandonné et remplacé par un réglage en trois rafales afin d’empêcher les utilisateurs inexpérimentés d’utiliser le pistolet en mode « spray and pray ». L’assistance avant a été remplacée par une assistance ronde, principalement par mesure d’économie.