德国人在1912年终于获得了期盼已久的技术领先。毛瑟m1906/08半自动步枪得到德国海军的订单，主要装备给齐柏林式侦察飞艇的乘员作为自卫武器。它的枪管短后座式原理和闭锁机构几乎同毛瑟1906式手枪的结构完全相同，所以也同样的精密，同样容易发生故障。保罗毛瑟继续改进他的半自动设计，后续的产品同样发射7.92mm枪弹，但改用延迟后座原理取代了枪管短后座式。它在1916年正式被德国陆军列装，迅速投入批量生产提供给正在组建的暴风突击队。从外观上看，毛瑟1916式半自动步枪最显著的特点是钢板冲压焊接成的弧形弹匣，以双排方式容纳25发毛瑟步枪弹，对突击部队而言最大的意义是这样能提供持续性的压制火力
如同世界大战中的德军士兵热衷于使用从协约**队手中缴获的中国造1905年式冲锋枪一样，中华帝国陆军十分重视缴获的毛瑟1916式半自动步枪，将它们修理后交给专门的突击部队使用。帝国陆军军械局还编写了毛瑟半自动步枪的中文使用与维护手册分发给前线。有些前线部队的指挥官也想方设法为自己搞一支毛瑟半自动步枪，因为双方装备着同样型号的步枪弹，使用起来相当方便。
受德国人的影响，帝国陆军中掀起了了半自动步枪热潮。一名前线步兵指挥官直截了当得上书西线陆军元帅宣称：一名装备半自动步枪的士兵足以匹敌一个装备手动步枪的步兵班。陆军军械局又开始埋头于众多出自本国或外国设计师之手的半自动步枪方案中：包括勃朗宁设计的枪管长后座式半自动步枪，此前已在欧美民间市场上获得极大的欢迎；以及因1905年式冲锋枪而出名的刘庆恩，他的设计采用导气式原理和类似于早期曼利夏步枪的楔形块闭锁枪机。然而最受陆军青睐的却是法国rsc1917式步枪。陆军更改了它的部分设计。用勃朗宁轻机枪上的20发弹匣取代了rsc硕大的扇形弹仓。最终定型为1918式步枪。可惜由于战争不久即告结束。以及战后初期的经济萧条及一系列政治动荡，1918式半自动步枪最终未能大批量投产列装。
第一次世界大战给步兵战术与条令带来翻天覆地的变化。帝国陆军战后成立了一个技术与战术发展委员会，研究步兵装备半自动步枪的问题时得出结论：步枪手随身携带的枪弹数量应当增加一倍，至少达到120发才能满足火力飞速增长的当代战场需求。因此在又不过分削弱威力与射击精度的前提下，减轻枪弹的重量和体积势在必行。从1920至30年代军械部门反复研究从6.5—8mm各种口径的新枪弹。萨维奇公司在1920年代为美国猎鹿者开发.300枪弹引起了帝国陆军的注意，它其实是将美军.30-06春田步枪弹缩短弹壳制成的。最终，帝**队在.300萨维奇弹基础上开发出自己的7.62x51mm步枪弹。在缩短减小的弹壳中，1936年开始生产的球形双基发射药赋予弹头优良的弹道性能。供步枪和机枪使用最广的普通弹弹头重150格令。铅芯复合式的结构足以在命中后对肌体构成巨大的翻滚伤害。甚至使敌人误以为帝国陆军使用了达姆弹。
由于干涉俄国革命和介入其持续不断的内战，中华帝国弹药库里一战后积压下的7.92mm枪弹被大量消耗掉了。陆军部求弹若渴，甚至1936年底就在国有兵工厂准备1937式步枪弹的生产线。为了应对日益紧张的世界局势，陆军当局还向美国西方弹药公司和雷明顿公司发出订单，要求制造6000万发1937式步枪弹，一年内交货。1938年10月，陆军向上述两家公司再加上温彻斯特公司签下1亿发步枪弹的生产合同。除了使用博克塞式底火，美国生产的7.62x51mm弹同中国产品没有明显区别。一些友好国家的企业也获得了中国的枪弹订单，例如位于日本列岛北方的以色列军事工业公司。通过如此努力，帝国至少在1939年9月第二次世界大战爆发时免受了枪弹储备不足的困扰。
与此同时。配备新弹的半自动步枪的选型试验也在紧锣密鼓地展开。一些经历过上次世界大战的陆军官员是毛瑟1916式半自动步枪的拥趸，要求新步枪采用类似毛瑟的半自由枪机原理。避免导气式武器火药积碳或恶劣环境下泥沙渗入堵塞导气孔的问题。恰巧在1928年，帝国内务部和陆军、海军联合发起一次采购新型冲锋枪的招标。当时供职于瑞士工业公司轻武器部的匈牙利设计师帕尔基拉里设计了一种发射9mm卢格手枪弹的冲锋枪参与竞标。它采用延迟开锁的半自由枪机原理，结构十分独到。基拉里的样枪在试验中表现出极高的射击精度，却最终未能入选。只有沈阳兵工厂少量生产供应给警察和内务部队。
然而基拉里冲锋枪独特的杠杆延迟后座系统引发了中国工程师的兴趣。他们对此进行卓有成效的改进使之更为可靠，并简化了结构。这一自动动作的基本原理是：枪机分为机头和机体两部分，机头比机体小得多，两者间通过一个惯性杠杆相联。杠杆由机头带动，其短臂端卡入机匣壁的闭锁槽内，长臂端则抵在重量较大的机体上。枪弹击发后，火药气体压力通过弹壳促使枪机后座，但此时闭锁杠杆两端分别卡入闭锁槽和抵在机体上，机头无法向后运动，而先使得闭锁杠杆转动。由此加速机体后座。待到闭锁杠杆离开闭锁槽。阻止枪机后座的力也就消失。此时弹头已飞出枪口。膛压也下降至安全界限内。剩余的压力开始推动整个枪机后座，抽出弹壳并抛出机匣。当后座完毕的枪机在复进簧的作用下复位，并将一枚待发弹推入弹膛，击锤回转到待发状态，完成一个射击循环。
为避免受压膨胀后的弹壳紧贴弹膛，造成抽壳困难，沈阳兵工厂的工程师在弹膛内壁上加工出12条纵槽。火药气体进入槽内，弹壳就会处于“飘浮”状态。使弹壳内外两侧的压力大致相等，能够自如地被拉壳钩从弹膛里抽出。如此巧妙的设计使沈阳厂的样枪战胜了美国人约翰佩德森的方案。佩德森步枪解决抽壳问题的方法是往弹壳上涂一层石蜡进行润滑，可时间一久，枪弹刮起的蜡屑与粘附的污物便会在动作机构中堆积，导致各种故障。另外，佩德森步枪的肘节延迟机构完全暴露在机匣外，在实战环境里很容易损坏。佩德森步枪只能使用10漏夹向弹仓内供弹，不如沈阳厂样枪的20发可拆卸弹匣方便。
最初的沈阳厂样枪发射7.92mm毛瑟弹。得知陆军准备采用新的7.62mm步枪弹后，工程师们迅速修改设计，制造出7.62mm样枪。考虑到士兵将乘坐机动车辆作战。新样枪的枪管缩短到22英吋左右，安装觇孔式照门和带有护翼的准星。在1000米表尺射程内保有良好的射击精度。1937年，新样枪被陆海军联合采用，定型为1937式半自动步枪。陆军部将它在装备序列中的优先地位列入第一级，沈阳、天津、济南的国有兵工厂最先投入生产。当年陆军部队就开始换装半自动新步枪。很多库存的1897式手动步枪也被改造以发射1937式枪弹。主要供新兵训练和二线武装部队使用。
虽然1937式半自动步枪的枪机组件的加工精度要求较高，可它的总体结构比较简单。非常利于战时体制下的企业间协作生产。大战期间不少私营企业都得到了1937式步枪生产或转包订单，比如林语堂先生创办的明快文具公司。这家因制造中文打字机而闻名的公司毫无轻武器制造的经验，但他们依然在二战中生产了16万支半自动步枪。为他们提供枪管的转包商则是战前制造自来水管的日丰公司。在大战中总产量超过400万支的“胜利武器”就是这样生产出来的。
沈阳厂的早期样枪也没有被浪费——英国在大战中向中国盟友购买了近20万支半自动步枪，全是7.92mm口径。毛瑟步枪弹是当时唯一在英国生产过的无突缘步枪弹，并被英军在besa机枪上大量使用。对于美国来说，1942年底被迫卷入战争是场彻头彻尾的灾难，战前只有不到五分之一的陆军部队换装伽兰德半自动步枪，而且大量步兵武器在1942-43年初的溃败中损失。美国政府在情急之下向中国订购7万支半自动步枪，大多装备海军陆战队。为美国制造的1937式步枪都修改了弹膛以适应美军的弹壳更长的.30-06枪弹，由亚东汽车公司生产。美国海军队员们不免会比较他们手中的两款半自动步枪，陆战队少校卡尔逊发表了他的看法：“同中国步枪比起来，梅尔文约翰逊先生的玩具根本不值得一提。”威廉斯利姆将军说得更直截了当：1937式半自动步枪是“有史以来设计得最出色的战斗工具。”
1925年，中华帝国在干涉俄国内战时实验性地在西伯利亚空降了步兵分队。获得了最早的伞兵作战经验。1930年正式宣告成立的空降兵经历了无数演习和多次小规模实战后得出结论：对于经常孤悬敌后的伞兵而言冲锋枪的有效射程显得不足，步枪射速太慢，机枪则太重不便于跳伞时携带。伞兵需要综合这三种武器长处的单兵装备。空降兵上尉李汉萍提出了大胆的建议：将勃朗宁1908式轻机枪去掉脚架，截短枪管以减轻重量，作为自动步枪使用。1934年。第一伞兵团就带着如此改造过的“自动步枪”空降东京。枪管都被截短到接近导气箍的位置。以致德国驻日武官目睹战斗后，向国内发回的报告宣称中国伞兵全部使用霰弹枪。作为武器检验的测试，这一改造的结果很令人失望，抵肩全自动射击时后坐力太大，枪口几乎没法控制。伞兵抱怨说他们只得瞄准敌人的鞋子点射，希望枪口上跳时子弹会碰巧打中脑袋。而且哪怕枪管已经截短，1908式轻机枪作为单兵武器也显得太重了。解决问题的最好办法是设计一种威力和后坐力都介于手枪弹与步枪弹之间的卡宾枪弹，并制造出发射它的自动枪支。
无独有偶。帝国海军陆战队也在为类似的要求大声疾呼。陆战队一直对军械局决定用9mm冲锋枪取代他们得心应手的1905式冲锋枪持坚决的反对态度。9mm卢格手枪弹相比被撤装的.44-40弹，侵彻力与停止能力都打了折扣，陆战队认为其远不能满足大多发生在300码左右距离上的接舷战斗的需要。
陆军军械局的官僚被空降兵与陆战队的聒噪弄得不胜其烦，于是联合各军种成立一个自动步枪和弹药研究委员会。官僚们也许只是将它作为推卸责任，搪塞公众舆论的工具。却不料委员会很快搞出了首项成果，即1938式短步枪弹，又称为6.5x47mm弹。
某些日本青年军事史研究者宣称这一开创了“中间威力枪弹”时代的伟大发明是剽窃日本的6.5mm有阪步枪弹的成果。其实它的真正原型是一战时期萨维奇公司开发的.250-3000狩猎用枪弹，装配87格令重的弹头时初速为每秒3000英尺。而中国工程师重新设计了更流线形的弹头，重量增加到117格令，在双基球形发射药的推动下初速可以达到每秒2652英尺。比起后来德国开发的7.92x33mm弹。1937式短步枪弹重量略大，但弹道性能和射击精度都更优越。后座力则比全威力步枪弹柔和得多。是最合适500码内战斗的枪弹。
发射6.5mm短弹的1939式自动步枪由久负盛名的刘庆恩设计。这位年逾花甲的设计师复刻了在1905式冲锋枪与刘式轻机枪上久经考验的自动机构：长行程导气活塞通过枪机体上的半螺旋槽驱动枪机回转，实现闭锁和开锁。只是1939式自动步枪的导气孔与活塞移到枪管上方，枪身下的空间留给30发容量的双排双进弹匣，和包含快慢机的击发装置。射手只要扳动握把附近的快慢机柄便能选择自动或是半自动射击。导气系统添加了气体调节器，通过调节选择导气孔可以兼顾射击精度与可靠性。
1939年7月，刘庆恩的自动步枪通过委员会的审查，军械局正式定型。但第一批生产订单却交给了私营的扬子江机械公司。除了私人企业外，在战时仅有上海兵工厂南京分厂这一家国有兵工厂制造1939式自动步枪。至于6.5mm短步枪弹，在战争爆发前的第一笔订货竟是由以色列军事工业公司完成的。国有兵工厂已经在为1937式步枪弹与半自动步枪的订单全速运转，那才是陆军首要关心的急务。
1939式自动步枪主要有两种生产型号，空降兵装备硬铝折叠枪托型，海军与陆战队装备木质固定枪托型。陆战队版自动步枪还在17.7寸长的枪管下固定了一支可折叠的三棱枪刺。1943年还推出了一种改进型，在枪口加装形似鸟笼的多孔形消焰器。1941年开始，所有新生产的1939式自动步枪都使用冲压—焊接工艺制造的机匣，并在枪膛内镀铬。
除了空降部队和海军陆战队，1939式自动步枪的其他用户大多都是二次大战中发展出来的特种作战部队。包括帝国陆军的远程侦察特勤队，海军水下爆破大队，陆战队舟艇特勤队以及战后组建的宪兵特勤队。陆军的常规部队也会受到那些精英军人的影响，大战末期的在欧洲作战的装甲骑兵部队就用1939式自动步枪取代了原先配备的冲锋枪。西线密集的城市战斗证明自动步枪表现得非常有价值，德军反坦克手通常还未来得及发射他们的“铁拳”，就被每分钟600发的弹雨所淹没。u