德國人在1912年終於獲得了期盼已久的技術領先。毛瑟m1906/08半自動步槍得到德國海軍的訂單，主要裝備給齊柏林式偵察飛艇的乘員作爲自衛武器。它的槍管短後座式原理和閉鎖機構幾乎同毛瑟1906式手槍的結構完全相同，所以也同樣的精密，同樣容易發生故障。保羅?毛瑟繼續改進他的半自動設計，後續的產品同樣發射7.92mm槍彈，但改用延遲後座原理取代了槍管短後座式。它在1916年正式被德國陸軍列裝，迅速投入批量生產提供給正在組建的暴風突擊隊。從外觀上看，毛瑟1916式半自動步槍最顯著的特點是鋼板衝壓焊接成的弧形彈匣，以雙排方式容納25發毛瑟步槍彈，對突擊部隊而言最大的意義是這樣能提供持續性的壓制火力
如同世界大戰中的德軍士兵熱衷於使用從協約**隊手中繳獲的中國造1905年式衝鋒槍一樣，中華帝國陸軍十分重視繳獲的毛瑟1916式半自動步槍，將它們修理後交給專門的突擊部隊使用。帝國陸軍軍械局還編寫了毛瑟半自動步槍的中文使用與維護手冊分發給前線。有些前線部隊的指揮官也想方設法爲自己搞一支毛瑟半自動步槍，因爲雙方裝備着同樣型號的步槍彈，使用起來相當方便。
受德國人的影響，帝國陸軍中掀起了了半自動步槍熱潮。一名前線步兵指揮官直截了當得上書西線陸軍元帥宣稱：一名裝備半自動步槍的士兵足以匹敵一個裝備手動步槍的步兵班。陸軍軍械局又開始埋頭於衆多出自本國或外國設計師之手的半自動步槍方案中：包括勃朗寧設計的槍管長後座式半自動步槍，此前已在歐美民間市場上獲得極大的歡迎；以及因1905年式衝鋒槍而出名的劉慶恩，他的設計採用導氣式原理和類似於早期曼利夏步槍的楔形塊閉鎖槍機。然而最受陸軍青睞的卻是法國rsc1917式步槍。陸軍更改了它的部分設計。用勃朗寧輕機槍上的20發彈匣取代了rsc碩大的扇形彈倉。最終定型爲1918式步槍。可惜由於戰爭不久即告結束。以及戰後初期的經濟蕭條及一系列政治動盪，1918式半自動步槍最終未能大批量投產列裝。
第一次世界大戰給步兵戰術與條令帶來翻天覆地的變化。帝國陸軍戰後成立了一個技術與戰術發展委員會，研究步兵裝備半自動步槍的問題時得出結論：步槍手隨身攜帶的槍彈數量應當增加一倍，至少達到120發才能滿足火力飛速增長的當代戰場需求。因此在又不過分削弱威力與射擊精度的前提下，減輕槍彈的重量和體積勢在必行。從1920至30年代軍械部門反覆研究從6.5—8mm各種口徑的新槍彈。薩維奇公司在1920年代爲美國獵鹿者開發.300槍彈引起了帝國陸軍的注意，它其實是將美軍.30-06春田步槍彈縮短彈殼製成的。最終，帝**隊在.300薩維奇彈基礎上開發出自己的7.62x51mm步槍彈。在縮短減小的彈殼中，1936年開始生產的球形雙基發射藥賦予彈頭優良的彈道性能。供步槍和機槍使用最廣的普通彈彈頭重150格令。鉛芯複合式的結構足以在命中後對肌體構成巨大的翻滾傷害。甚至使敵人誤以爲帝國陸軍使用了達姆彈。
由於干涉俄國革命和介入其持續不斷的內戰，中華帝國彈藥庫裡一戰後積壓下的7.92mm槍彈被大量消耗掉了。陸軍部求彈若渴，甚至1936年底就在國有兵工廠準備1937式步槍彈的生產線。爲了應對日益緊張的世界局勢，陸軍當局還向美國西方彈藥公司和雷明頓公司發出訂單，要求製造6000萬發1937式步槍彈，一年內交貨。1938年10月，陸軍向上述兩家公司再加上溫徹斯特公司簽下1億發步槍彈的生產合同。除了使用博克塞式底火，美國生產的7.62x51mm彈同中國產品沒有明顯區別。一些友好國家的企業也獲得了中國的槍彈訂單，例如位於日本列島北方的以色列軍事工業公司。通過如此努力，帝國至少在1939年9月第二次世界大戰爆發時免受了槍彈儲備不足的困擾。
與此同時。配備新彈的半自動步槍的選型試驗也在緊鑼密鼓地展開。一些經歷過上次世界大戰的陸軍官員是毛瑟1916式半自動步槍的擁躉，要求新步槍採用類似毛瑟的半自由槍機原理。避免導氣式武器火藥積碳或惡劣環境下泥沙滲入堵塞導氣孔的問題。恰巧在1928年，帝國內務部和陸軍、海軍聯合發起一次採購新型衝鋒槍的招標。當時供職於瑞士工業公司（sig）輕武器部的匈牙利設計師帕爾?基拉里設計了一種發射9mm盧格手槍彈的衝鋒槍參與競標。它採用延遲開鎖的半自由槍機原理，結構十分獨到。基拉里的樣槍在試驗中表現出極高的射擊精度，卻最終未能入選。只有瀋陽兵工廠少量生產供應給警察和內務部隊。
然而基拉里衝鋒槍獨特的槓桿延遲後座繫統引發了中國工程師的興趣。他們對此進行卓有成效的改進使之更爲可靠，並簡化了結構。這一自動動作的基本原理是：槍機分爲機頭和機體兩部分，機頭比機體小得多，兩者間通過一個慣性槓桿相聯。槓桿由機頭帶動，其短臂端卡入機匣壁的閉鎖槽內，長臂端則抵在重量較大的機體上。槍彈擊發後，火藥氣體壓力通過彈殼促使槍機後座，但此時閉鎖槓桿兩端分別卡入閉鎖槽和抵在機體上，機頭無法向後運動，而先使得閉鎖槓桿轉動。由此加速機體後座。待到閉鎖槓桿離開閉鎖槽。阻止槍機後座的力也就消失。此時彈頭已飛出槍口。膛壓也下降至安全界限內。剩餘的壓力開始推動整個槍機後座，抽出彈殼並拋出機匣。當後座完畢的槍機在復進簧的作用下復位，並將一枚待發彈推入彈膛，擊錘迴轉到待發狀態，完成一個射擊循環。
爲避免受壓膨脹後的彈殼緊貼彈膛，造成抽殼困難，瀋陽兵工廠的工程師在彈膛內壁上加工出12條縱槽。火藥氣體進入槽內，彈殼就會處於“飄浮”狀態。使彈殼內外兩側的壓力大致相等，能夠自如地被拉殼鉤從彈膛裡抽出。如此巧妙的設計使瀋陽廠的樣槍戰勝了美國人約翰?佩德森的方案。佩德森步槍解決抽殼問題的方法是往彈殼上塗一層石蠟進行潤滑，可時間一久，槍彈颳起的蠟屑與粘附的污物便會在動作機構中堆積，導致各種故障。另外，佩德森步槍的肘節延遲機構完全暴露在機匣外，在實戰環境裡很容易損壞。佩德森步槍只能使用10漏夾向彈倉內供彈，不如瀋陽廠樣槍的20發可拆卸彈匣方便。
最初的瀋陽廠樣槍發射7.92mm毛瑟彈。得知陸軍準備採用新的7.62mm步槍彈後，工程師們迅速修改設計，製造出7.62mm樣槍。考慮到士兵將乘坐機動車輛作戰。新樣槍的槍管縮短到22英吋左右，安裝覘孔式照門和帶有護翼的準星。在1000米表尺射程內保有良好的射擊精度。1937年，新樣槍被陸海軍聯合採用，定型爲1937式半自動步槍。陸軍部將它在裝備序列中的優先地位列入第一級，瀋陽、天津、濟南的國有兵工廠最先投入生產。當年陸軍部隊就開始換裝半自動新步槍。很多庫存的1897式手動步槍也被改造以發射1937式槍彈。主要供新兵訓練和二線武裝部隊使用。
雖然1937式半自動步槍的槍機組件的加工精度要求較高，可它的總體結構比較簡單。非常利於戰時體制下的企業間協作生產。大戰期間不少私營企業都得到了1937式步槍生產或轉包訂單，比如林語堂先生創辦的明快文具公司。這家因製造中文打字機而聞名的公司毫無輕武器製造的經驗，但他們依然在二戰中生產了16萬支半自動步槍。爲他們提供槍管的轉包商則是戰前製造自來水管的日豐公司。在大戰中總產量超過400萬支的“勝利武器”就是這樣生產出來的。
瀋陽廠的早期樣槍也沒有被浪費——英國在大戰中向中國盟友購買了近20萬支半自動步槍，全是7.92mm口徑。毛瑟步槍彈是當時唯一在英國生產過的無突緣步槍彈，並被英軍在besa機槍上大量使用。對於美國來說，1942年底被迫捲入戰爭是場徹頭徹尾的災難，戰前只有不到五分之一的陸軍部隊換裝伽蘭德半自動步槍，而且大量步兵武器在1942-43年初的潰敗中損失。美國政府在情急之下向中國訂購7萬支半自動步槍，大多裝備海軍陸戰隊。爲美國製造的1937式步槍都修改了彈膛以適應美軍的彈殼更長的.30-06槍彈，由亞東汽車公司生產。美國海軍隊員們不免會比較他們手中的兩款半自動步槍，陸戰隊少校卡爾遜發表了他的看法：“同中國步槍比起來，梅爾文?約翰遜先生的玩具（指約翰遜1941式半自動步槍）根本不值得一提。”威廉?斯利姆將軍說得更直截了當：1937式半自動步槍是“有史以來設計得最出色的戰鬥工具。”
1925年，中華帝國在干涉俄國內戰時實驗性地在西伯利亞空降了步兵分隊。獲得了最早的傘兵作戰經驗。1930年正式宣告成立的空降兵經歷了無數演習和多次小規模實戰後得出結論：對於經常孤懸敵後的傘兵而言衝鋒槍的有效射程顯得不足，步槍射速太慢，機槍則太重不便於跳傘時攜帶。傘兵需要綜合這三種武器長處的單兵裝備。空降兵上尉李漢萍提出了大膽的建議：將勃朗寧1908式輕機槍去掉腳架，截短槍管以減輕重量，作爲自動步槍使用。1934年。第一傘兵團就帶着如此改造過的“自動步槍”空降東京。槍管都被截短到接近導氣箍的位置。以致德國駐日武官目睹戰鬥後，向國內發回的報告宣稱中國傘兵全部使用霰彈槍。作爲武器檢驗的測試，這一改造的結果很令人失望，抵肩全自動射擊時後坐力太大，槍口幾乎沒法控制。傘兵抱怨說他們只得瞄準敵人的鞋子點射，希望槍口上跳時子彈會碰巧打中腦袋。而且哪怕槍管已經截短，1908式輕機槍作爲單兵武器也顯得太重了。解決問題的最好辦法是設計一種威力和後坐力都介於手槍彈與步槍彈之間的卡賓槍彈，並製造出發射它的自動槍支。
無獨有偶。帝國海軍陸戰隊也在爲類似的要求大聲疾呼。陸戰隊一直對軍械局決定用9mm衝鋒槍取代他們得心應手的1905式衝鋒槍持堅決的反對態度。9mm盧格手槍彈相比被撤裝的.44-40彈，侵徹力與停止能力都打了折扣，陸戰隊認爲其遠不能滿足大多發生在300碼左右距離上的接舷戰鬥的需要。
陸軍軍械局的官僚被空降兵與陸戰隊的聒噪弄得不勝其煩，於是聯合各軍種成立一個自動步槍和彈藥研究委員會。官僚們也許只是將它作爲推卸責任，搪塞公衆輿論的工具。卻不料委員會很快搞出了首項成果，即1938式短步槍彈，又稱爲6.5x47mm彈。
某些日本青年軍事史研究者宣稱這一開創了“中間威力槍彈”時代的偉大發明是剽竊日本的6.5mm有阪步槍彈的成果。其實它的真正原型是一戰時期薩維奇公司開發的.250-3000狩獵用槍彈，裝配87格令重的彈頭時初速爲每秒3000英尺。而中國工程師重新設計了更流線形的彈頭，重量增加到117格令，在雙基球形發射藥的推動下初速可以達到每秒2652英尺。比起後來德國開發的7.92x33mm彈。1937式短步槍彈重量略大，但彈道性能和射擊精度都更優越。後座力則比全威力步槍彈柔和得多。是最合適500碼內戰鬥的槍彈。
發射6.5mm短彈的1939式自動步槍由久負盛名的劉慶恩設計。這位年逾花甲的設計師復刻了在1905式衝鋒槍與劉式輕機槍上久經考驗的自動機構：長行程導氣活塞通過槍機體上的半螺旋槽驅動槍機迴轉，實現閉鎖和開鎖。只是1939式自動步槍的導氣孔與活塞移到槍管上方，槍身下的空間留給30發容量的雙排雙進彈匣，和包含快慢機的擊發裝置。射手只要扳動握把附近的快慢機柄便能選擇自動或是半自動射擊。導氣系統添加了氣體調節器，通過調節選擇導氣孔可以兼顧射擊精度與可靠性。
1939年7月，劉慶恩的自動步槍通過委員會的審查，軍械局正式定型。但第一批生產訂單卻交給了私營的揚子江機械公司。除了私人企業外，在戰時僅有上海兵工廠南京分廠這一家國有兵工廠製造1939式自動步槍。至於6.5mm短步槍彈，在戰爭爆發前的第一筆訂貨竟是由以色列軍事工業公司完成的。國有兵工廠已經在爲1937式步槍彈與半自動步槍的訂單全速運轉，那纔是陸軍首要關心的急務。
1939式自動步槍主要有兩種生產型號，空降兵裝備硬鋁摺疊槍托型，海軍與陸戰隊裝備木質固定槍托型。陸戰隊版自動步槍還在17.7寸長的槍管下固定了一支可摺疊的三棱槍刺。1943年還推出了一種改進型，在槍口加裝形似鳥籠的多孔形消焰器。1941年開始，所有新生產的1939式自動步槍都使用衝壓—焊接工藝製造的機匣，並在槍膛內鍍鉻。
除了空降部隊和海軍陸戰隊，1939式自動步槍的其他用戶大多都是二次大戰中發展出來的特種作戰部隊。包括帝國陸軍的遠程偵察特勤隊，海軍水下爆破大隊，陸戰隊舟艇特勤隊以及戰後組建的憲兵特勤隊。陸軍的常規部隊也會受到那些精英軍人的影響，大戰末期的在歐洲作戰的裝甲騎兵部隊就用1939式自動步槍取代了原先配備的衝鋒槍。西線密集的城市戰鬥證明自動步槍表現得非常有價值，德軍反坦克手通常還未來得及發射他們的“鐵拳”，就被每分鐘600發的彈雨所淹沒。