M4卡賓槍的設計可追溯至早期卡賓槍版本的M16及XM177，同樣採用導氣、氣冷、轉動式槍機設計，以彈匣供彈及可選射擊模式的突擊步槍，而M4的長度比M16突擊步槍為短，槍管縮短至368.3毫米，重量也較輕，令射手能在近戰時快速瞄準目標，兩者之中有八成的部件可以共用。
一些M4A1裝配較厚較重的槍管，以減低全自動開火時所產生的熱力，並且加厚鋁質隔熱層。美軍最初版本的M4卡賓槍只有「單發」及「三點發」