M4中型坦克家族的第一批坦克首次在战场上亮相是在1942年夏天的第二次阿拉曼战役。“谢尔曼将军”具有出色的机动性，装甲厚实，火力之强更是能够击毁任何敌方坦克，一经问世，便成为美洲大陆最佳坦克称号的有力竞争者。尽管如此，它并没有停下发展的步伐。德军开始部署装备更厚装甲和更长火炮的改进型PzIII和PzIV坦克，这让美国坦克设计师甚至在谢尔曼坦克还没有上战场之前就开始考虑它的现代化。
3英寸或76毫米
谢尔曼坦克并非唯一在北非首次亮相的装甲车辆。M10自走炮配备与3英寸M3 防空炮性能相同的M7火炮，在北非与谢尔曼坦克并肩作战。谢尔曼坦克的初始设计也打算这种口径的火炮，但这样的火炮不是直接塞进炮塔就行了：在将其安装在中型坦克的炮塔内之前，
它的重量和尺寸都必须被削减。
这一新型坦克炮以3英寸的T12型防空炮为基础。从这里开始，相关火炮的命名就混乱了起来。该新型坦克炮被命名为“75毫米T13”，这导致通讯出现了极大的混淆。为区分不同型号的火炮，该火炮被重新命名为“76毫米T1”。口径单位从英制更改为公制是有充分理由的：其炮管长度被从57倍径改短到了52倍径。为了保持其弹道属性，这门炮使用了发射药加量的特殊弹药，该弹药与旧的3英寸火炮不兼容。这门使用新炮弹的火炮能将14.9磅（8.76公斤）的M62炮弹以2600英尺/秒（792.5米/秒）的初速从炮口射出，在500码（457米）开外能够击穿以20度倾斜的112毫米的装甲，在1000码（914米）开外能够击穿99毫米的装甲。除了穿甲弹外，该炮还可使用M42A1高爆弹和M88烟雾弹。这些炮弹均使用M26黄铜弹壳。这款新火炮适用于75毫米谢尔曼坦克的标准M34组合炮架。
配备3英寸火炮的M10坦克歼击车（后视）。与75毫米M3相比，这门火炮的穿透力更高，但要将它安装到中型坦克上并不容易
将新火炮安装到M4中型坦克上相对容易一些。新炮的备弹架和火炮防盾也都换新了，因为坦克手们希望战车配备的放大率为3倍的M51（T60）光学瞄准具，以及放大率为1.5倍的M47潜望瞄准具。这些瞄准具可以让火炮打到最多3公里外的敌人。新型坦克可携带83发炮弹、2000发机枪子弹和600发汤普森冲锋枪子弹。1942年8月1日，两门T1火炮抵达阿伯丁试验场。其中一门安装在登记编号为W-3060572的坦克上，另一门安装在测试台上，随后安装到登记编号为W-3015305的坦克上进行测试。该火炮的后坐行程仅为12英寸（305毫米），具有良好的俯仰角，在采用改进的M34A1组合炮架时，最大俯仰角为-12.5度到+25度。
配备安装在M34组合炮架上的76毫米T1火炮的M4中型坦克。1942年8月摄于阿伯丁试验场。白环标示了75毫米M3火炮的长度
1942年8月17日，装甲委员会建议对该坦克进行标准化，将其命名为M4A1（76 M1），并提议生产1000辆。
在诺克斯堡进行试验的M4A1（76 M1）。1943年2月
压钢汽车公司（Pressed Steel Car Company）于1941年初开始组装第一批M4A1（76 M1）中型坦克。2月，其中的两辆被送往诺克斯堡接受试验。这一次试验并不顺利，测试人员发现了一连串的问题。设计人员没有修改炮塔的设计，而只是在尾舱中设置363公斤的配重以帮助保持平衡，火炮的可操作性并没有得到改善。测试人员认为，炮手的位置、其座位及其仪器都不能令人满意。他们对仰角飞轮的评价是“松松垮垮”，无法用于精确瞄准。该坦克还缺乏“具有足够放大倍率的光学瞄准具，无法充分发挥76毫米火炮的潜力”。防危板上的310公斤配重也无法令人满意。乘员若要从坦克中撤离，装填手必须先将其折叠起来，这即使是在没有战斗压力的情况下也是一项艰巨的任务。测试人员建议，要么减轻防危板配重的重量，要么在炮塔顶部为装填手设置专用的舱口。受这门新火炮影响的不只是在炮塔内的乘员，还包括驾驶员，他们的视线会受到火炮行军固定器的阻碍。此外，这个固定器只能从车外放下。试验报告提出了一长串设计变更建议，并表示，只有经过这些变更，该款新火炮才适合安装到坦克上。如此发人深省的评价，自然对装甲委员会产生了影响。1943年4月5日，标准化建议被撤销。阿伯丁试验场、装甲委员会和坦克歼击车委员会各接收了一辆M4A1（76 M1）坦克。其余的被改装成了普通的75毫米谢尔曼。
过渡型号T20
在进行76毫米炮试验之际，军方并没有停下脚步。1942年8月，军方在诺克斯堡的一次会议上提出了一款新坦克的需求：该坦克的重量不得超过30吨，并需配备三个可互换的炮塔：一个搭载采用自动装填机构的75毫米火炮，一个搭载76毫米M1火炮，一个搭载3英寸M7火炮。美国工程师还将在此期间测试新型传动。相关人员提议先制造六辆这款新坦克。其中两辆将被命名为T20，并配备新的传动。另外两辆将配备改进版的谢尔曼传动，并被命名为T22。其余两辆将命名为T23，使用通用电气（General Electric）为T1E1重型坦克设计的电传动装置。
T20、T22和T23中型坦克将配备76毫米M1火炮。名称带有后缀“E1”的坦克将配备75毫米火炮，而后缀“E2”则保留给配备M7火炮的型号。然而，这个系列的大多数型号都从未得到制造，因为试验表明，76毫米火炮已经足够让人满意。唯一的例外是配备了75毫米火炮T22E1。而其他E1和E2型号从未得到制造。
停放在诺曼底的奥沃洛德博物馆（Overlord Museum）外的一辆M4A1（76）W中型坦克和一辆M10自走炮。两者都配备弹道相似的76毫米火炮，但弹药不兼容
当时军方认为该计划非常有希望。1942年8月，美国告知加拿大，1943年将有一款新坦克投入生产，并建议两国最好同时制造相同的坦克，而不是在美国制造M4中型坦克时加拿大却在制造公羊II坦克（Ram II）。然而，生产日期却一推再推。1943年7月，加拿大被告知该款新型坦克要到1944年初才能开始走下生产线。加拿大开始担心，因为美国已经承认除了有原型之外，还没有生产任何T20系列坦克的具体计划。美国方面坦言，T20的研制工作还需要投入大量精力，并且不会以当前状态投入生产。
T20系列坦克炮塔顶示意图。由于炮塔座圈直径未改变，在项目早期阶段甚至考虑过在旧车身上使用新炮塔的可能性
美国人不遗余力地宣传他们的新坦克。他们告诉英国人，T20坦克比谢尔曼坦克或克伦威尔坦克的任何型号都优越，一旦有了T20，另外两款就可以淘汰了。加拿大预计因T20的需求巨大，他们最早在1944年底或1945年初才能获得它们。英国非常担心生产瓶颈造成供应不足，因此甚至将T14突击坦克视为更为稳妥的替代品。
英国的谨慎后来被证明是正确的。T20系列命途多舛。制造完成的T20坦克比预计重量重了2.5吨，变速器和悬架在试验过程中故障不断。此外，其引擎还存在容易过热的问题。采用扭杆悬架的型号T20E3在试验过程中起火烧毁。T22在发生发动机故障后退出了试验。
T23系列则较为幸运。这些坦克配备了新的炮塔，这些炮塔是在M4A1（76 M1）中型坦克失败后所设计的。第一款是在标准M4中型坦克所用炮塔的基础上设计的，在铸造炮塔中安装了T79组合炮架的改进型炮塔。第二款炮塔是焊接炮塔，火炮防盾覆盖了整个炮塔前部，类似于德国的PzIII。该炮塔中的76毫米火炮安装在T80组合炮架上。两个炮塔采用相同的炮塔吊篮，弹药架上都存放有42发备弹。第二款炮塔在试验中表现更好，但最终也采用了铸造方式制造。
T23看起来很有希望，于是军方在1943年5月订购了250辆。为了释放出用于生产T25E1和T26E1中型坦克的资源，该订单一度减少到了200辆，但后来又恢复到250辆。第一辆T23中型坦克于1943年10月组装完成。它的改进型炮塔配备还是了T80组合炮架，但它现在得到了车长指挥塔防空机枪架、一个烟雾弹发射器和一个3英寸厚的火炮防盾。该坦克被送到诺克斯堡后，测试人员的最终结论是：该坦克不适合服役。其电传动装置很难维修，而且为了维修它，军队中的所有技术人员都必须另外接受培训，整个备件库存也得更新。在战时，这是不可接受的。T23中型坦克与其先前的型号有着共同的命运：都没能上前线。采用扭杆悬架的T23E3中型坦克也自然也被否决了。
炮塔升级
T23的研制并非毫无意义。早在1943年春，美国就决定制定一项备用计划。因为炮塔座圈直径相同，76毫米的T23炮塔已与M4坦克车体兼容。混合M4坦克上安装的是T23炮塔，而非已有炮塔。该型号被命名为M4E6中型坦克。该坦克还得到了其他改进，最明显的是安装了湿式弹药架，这有助于避免因弹药起火引发灾难性殉爆。该款坦克于1943年6月下旬在阿伯丁试验场接受试验。
在经过1942年的试验后，火炮的设计也有所更改。后座距离被加长了305毫米，这使得火炮得以移至更靠前的位置，从而实现更好的平衡。该改进型火炮被命名为M1A1。
M4E6中型坦克
与之前尝试安装76毫米火炮时相比，炮塔也发生了很多变化。俯仰机构的问题通过带弹簧的分体小齿轮得到了解决。稳定器也经过了修改，以兼容更重的火炮。同轴机枪向前移了两英寸。炮塔架的直径有所增加，并且在底板上增加了一处开口，方便装填手拿取存放在底板之下的弹药。同时，炮塔顶部终于增设了一个舱口。但携行弹药数量减少到了63发。
坦克重量增加到了69,000磅（31,300公斤）。Continental R-975-C1发动机本已是谢尔曼发动机中最不可靠的一个，额外的重量更是让它不堪重负。相关人员决定更改其传动比。五档的最高速度从24英里/小时（36.6公里/小时）降至19.6英里/小时（31.5公里/小时）。装甲委员会坚决反对该解决方案，认为该坦克必须能够在战斗中跟上军中更轻型的坦克。试验表明这方面的担心是多余的。量产的M4A1能够在5分32秒内跑完1.5英里（2.4公里）的上坡路段，而M4E6则比它还快14秒。在越野路段，情况正好相反：M4A1在45分31.5秒内行驶了5.6英里（9公里），而M4E6则需要46分45秒。这意味着该坦克的发动机动力不足。测试人员建议进一步降低传动比。
这款新炮塔受到了AFMRL（Medical Research Laboratory）的批评。新炮塔所使用的光学瞄准具仍然难以使用，因为其位置太靠前了。而且瞄准具架存在明显松动，这意味着它很难精确瞄准。M9测距仪也无法用于在2000码（1829米）开外进行准确射击。车组乘员的座位也远谈不上完美：炮手的座位被认为“大而笨重”，而车长的座位更是无法调整。触发机构踏板的位置也不方便。可以说，车组乘员的行动受到了各种设备的限制。装填手专用的舱口也过于狭小。炮塔舱口锁也亟需改进。
尽管存在上述问题，该试验被认为是成功的。新设计被标准化为M62组合炮架。
上图：M1A2火炮的试验炮口制退器：T8、T8E1、T8E2。
下图：标准化M2炮口制退器
这并不是76毫米火炮研制的终点。带有炮口制退器的76毫米的T3火炮取代了M1A1。试验表明，这个思路是正确的，但照搬德国设计的T8炮口制退器并不令人满意。该炮口制退器在减重3磅（1.4公斤）之后性能得到了改善，从而产生了新的型号——T8E1。军方对铸造的T8E1与锻造的T8E2以及同样通过锻造方式制造的铝制T8E3进行了比较。试验表明，T8E3性能最差，而T8E1和T8E2的特性相当。由于T8E1更容易生产，所以得到了标准化，被命名为M2，配备该制退器的火炮标准化时被命名为M1A2。这门火炮的膛线缠角与其前身不同，缠度为32口径，而不是M1A1的40口径。有趣的是，在设计敲定之前，这些火炮就有了用于安装炮口制退器的螺纹。因此，在很多谢尔曼坦克的照片中的一些炮管末端有裸露的螺纹，或者是配重物（能起到保护螺纹的作用）。M1A2火炮的炮尾需要一个额外配重来平衡30公斤的炮口制退器。
有些旧的M1A1炮管也被刻上了用于安装炮口制退器的螺纹。这种变体被命名为M1A1C。
上图：锻造的实验性铝制T8E3炮口制退器。
下图：铸造的实验性T8E1炮口制退器
1943年8月17日，美军希望在1944年1月15日之前停止生产配备75毫米火炮的坦克，转而只生产76毫米火炮。装甲部队希望能够尽快获得1001辆配备新火炮的坦克，以在实战中进行试验。尽管美国拥有强大的工业实力，汰换数千辆采用75毫米火炮的坦克也不是一件容易的事。此外，装甲委员会反对淘汰所有采用75毫米火炮的坦克。
75毫米高爆弹（左）和76毫米高爆弹（右）破片效果对比
75毫米火炮的高爆破片弹威力更大。尽管其口径较小，但外壳的重量要多出567克，所含炸药多312克。这意味着75毫米M48炮弹产生的致命碎片是76毫米M42A1炮弹的两倍多。两者通过爆炸所产生的，可穿透9.5毫米钢板的破片数量是无法相提并论的：M48为78片，而M42A1仅为5片。针对没有防护的目标，M48的破片杀伤范围比M42A1的大33%。
但76毫米穿甲弹的穿透力弥补了其高爆弹的劣势。按照美国的标准，该炮能够在近距离击穿以30度角倾斜的108.2毫米装甲，而在相同条件下，75毫米炮仅能击穿79.5毫米的装甲。射击距离越远，差异越明显。得益于更高的初速，76毫米火炮对混凝土的穿透力更强，即便是使用差强人意的高爆弹时亦是如此。
对虎式坦克造成击穿的示意图。与76毫米火炮不同，75毫米火炮无论从任何距离都无法击穿该坦克的正面
全面换装的计划规模不得不削减。1943年9月20日的一次会议确定，在作战时，最好混合使用配备75、76和105毫米火炮的坦克。到10月底，76毫米火炮坦克的装备比例被降至25%。
配备76毫米火炮的坦克于1944年1月开始生产。前100辆配备76毫米火炮的坦克是由压钢汽车公司生产的M4A1。这些坦克装备了M1A1火炮，后来又装备了M1A2火炮，还有采用M1A1C的。配备76毫米火炮的M4A3坦克于3月开始在克莱斯勒公司（Chrysler）生产。1944年5月，首批30辆M4A2（76）W坦克在底特律坦克兵工厂（Detroit Tank Arsenal）组装完成。M4（76）W有生产计划，但从未得到实施，而M4A4甚至从未有过换装76毫米火炮的计划。
租借评估
在英联邦军队中，配备76毫米火炮的坦克名称会增加后缀“a”。例如，送到实验部（Experimental Wing）的W.D.编号为T.262414的坦克被命名为谢尔曼IIa（Sherman IIa）。到了那个时候，英国已经有了自产的，配备更强大的76毫米火炮的坦克——谢尔曼萤火虫坦克（Sherman Firefly）。尽管如此，英国还是决定对美国坦克进行测试。
停放在博文顿坦克博物馆战车保护中心的谢尔曼IIa
缺少炮口制退器这点让英国人感到失望。看来他们收到的是采用M1A1火炮的早期生产的版本。该火炮的最大俯角为-10度，并且在炮塔转动时不会被车身卡住。该火炮的最大仰角为25度。根据英国人的说法，这门火炮的平衡性很差。如果移除炮尾防危板的配重，平衡可能会得到改善，但却会造成稳定器失效。防危板的质量也不佳：几次射击后焊缝便出现开裂，弹壳会从防护栏反弹到装填手身上，而不是弹入装废弹壳的袋子中。这个袋子理论最多可容纳30个弹壳，但一旦存放了3个或更多的弹壳后，稳定器就无法工作了。随着袋中弹壳数量的增加，火炮在每次射击时会被后座力抬得越来越高。同轴勃朗宁机枪也有一个装废弹壳的袋子，里面可容纳320个弹壳。该火炮配备了M70H光学瞄准具，但由于炮盾上的开口是为更大的M71D瞄准具而设计的，因此此瞄准具周围存在明显的空隙。
使用75和76毫米炮弹对谢尔曼的首上铸造装甲射击的结果。只有76毫米炮弹能够将其击穿
英国人认可瞄准机构的设计，但他们不喜欢垂直瞄准机构太过松垮，并且在行驶中必须将火炮锁定到位这一点。值得庆幸的是，驾驶员或其助手可以轻松打开行驶锁。
炮塔的转动机构对英国人而言是一个惊喜。这个美国设计超出了所有人的预期。奥里盖尔（Oilgear）电动转动装置足够灵敏，可以持续瞄准在2000码（1829米）开外以5英里/小时（9.6公里/小时）的速度移动的目标。由于炮塔配重不平衡，乘员无法在15度倾斜的情况下手动转动炮塔，但此时电机仍能勉强转动炮塔。
奥里盖尔电动炮塔转动装置
触发机构的备用方案：在进行射击时，炮手可以使用机械踏板，也可以使用按钮。
该按钮不在瞄准飞轮上，这一点是英国人所不喜欢的，因为要使用这个按钮，炮手必须将手从瞄准装置上移开。
笨重的炮塔转动机构也存在一个严重的缺点：它导致炮手的乘坐空间变得非常狭窄。炮手的右膝无处安放。如果炮手调整到乘坐舒适的位置，使用瞄准具就会变得很不方便。英国人并非鸡蛋里挑骨头；美国人自己在试验中也发现了类似的缺陷。
车长位置的设计也受到了批评。虽然座椅很软，但摇晃得很厉害，会导致车长在行驶过程中从椅子上滑落。该座位的高位也受到了批评，因为此位置会使车长暴露至腰部，并且没有设置可以放脚的地方。但该座位的低位设计让人非常满意。新的车长指挥塔也受到了好评。
但英国测试人员不喜欢装填手位置的设计，认为其需要进行一些改进。将座椅向前移7英寸（18厘米）后，可以减轻装填手的工作强度。修改防护栏的设计可以防止弹壳弹到装填手身上，从而提高有效射速，使装填手能够在30秒内从备弹架取下并装填5发炮弹。如果副驾驶能够从下方给装填手递送弹药，那么装填手15秒内便可装填5发炮弹。该坦克总共可携带71发炮弹，其中41发在炮塔朝前时可取用。
副驾驶位置的设计虽然没有受到任何批评，但这可能是因为这个位置没得到太多使用。谢尔曼萤火虫坦克上并没有设置此乘员。也许英国人也计划在这辆坦克上将该乘员去除，因为他们在评价中表示，如果这个座位折叠下去，乘员就能更容易地拿取弹药架上的炮弹。
加拿大的谢尔曼坦克与更现代的百夫长坦克在一起进行训练
这款76毫米火炮不仅有诸多缺点，其穿透力也不及英国17磅火炮，而且该炮的弹药不在英国生产。然而，英国没有与美国讨价还价的余地。因此，谢尔曼IIa最终还是进入了英国军队服役，但只出现在了意大利，而且数量很少。但这并不意味着英联邦其他国家也对76毫米火炮不屑一顾。例如，加拿大军队在战后就用M4A2（76）W HVSS中型坦克替换了其公羊II坦克，并在朝鲜战争中使用了M4A3（76）W HVSS坦克。