1950年朝鮮戰爭爆發後，日本成立了軍事武裝警察預備隊，所使用的步槍大多為從美國接收過來的M1伽蘭德或其他淘汰裝備，1954年日本自衛隊成立後也繼續使用這些美式裝備。在1957年，日本自衛隊決定研製和裝備新的國產自動步槍，不過由於在軍事上對美國的依賴，決定選擇當時美國定出的7.62×51mm彈作為新步槍的口徑，以便能與駐日美軍共用彈藥。然而，日本自衛隊認為這種彈藥的後坐力對於日本士兵來說過於強大了，於是日本的專家據此制定了尺寸規格與北約標準彈完全相同但減少了發射藥的專用彈。經過測試，在相同的條件下，當7.62mm NATO彈初速為810m/s時，這種減裝藥彈的初速為715m/s，這樣槍口動能已經減到接近7.62×39了。
新槍的研製工作交由豐和機械有限公司（HOWA）負責，設計團隊通過與日本自衛隊的密切合作，於1964年 被稱為“R6K改のE型”的樣槍通過了日本自衛隊的試驗，並正式定型為64式7.62毫米步槍（64式自動小銃），開始取代舊的M1加蘭德步槍。豐和公司獨家為日本自衛隊供應64式步槍，直至1988年左右停產為止，期後64式步槍被豐和公司的另一種產品89式步槍所取代。
64式步槍主要裝備日本自衛隊和日本海上保安廳。雖然從1989年開始，一線部隊中的64式步槍開始被89式步槍取代，但由於預算有限，64式步槍仍然在一些二線後備部隊中保留使用。另外由於法律限制，64式步槍也從來沒有出口到其他國家。
據說64式步槍在測試靶場內的精度表現優於美製M14，這是因為設計目標之一就是要精度超過M14，如果比試時超不過的話就要捏著鼻子買美國槍了。所以設計團隊用了減裝彈、兩腳架等手段改善操控性，並發現要降低射速才能提高全自動射擊時的操控性，於是先是在M2卡賓槍上進行了改造減速裝置的試驗，把M2卡賓槍的射速降低至400發/分，發現效果顯著後，便把這個把這個設計用於64式的原型槍（見上表的官I型至官II型）。但最終定型的官III型使用粗大的平移式擊錘，不需要專門的減速機構也能把射速控制在500發/分以下。
通過上述種種措施，最終使得驗收時達到了比M14更好的連發精度的設計目的。
64式步槍是一種導氣式操作原理的自動步槍，在槍管上方有一個短行程導氣活塞，並裝有3位置的氣體調節器。閉鎖方式為槍機偏轉式，從形狀結構來看和FAL/SVT相近，槍機的閉鎖支承面抵在機匣的閉鎖支承面上時實現閉鎖，因此早期曾有資料分析其導氣裝置和槍機系統可能是受比利時FN FAL或前蘇聯託卡列夫SVT-40步槍的啟發。但後來設計師關於豐和64步槍的自動機設計來源，設計者寫文章自述，它的自動機有三個來源：
- 捷克式自動機，最初源自關東軍在東北虜獲的ZB26機槍，設計者在齊齊哈爾時接觸過實物。朝鮮戰爭後，又從戰場上獲得實物帶回日本國內；
- 彈道槍自動機，最初源自美國提供的M8C 12.7mm彈道槍，配用於M40無後座力炮，日本在仿製為60式無後座力炮的同時，也仿製了60式彈道槍；
- SKS自動機，日本當時對實物進行了測繪。
這三種機構說到底都可以算是捷克式，最終在64式上，綜合了三者的設計特點。
該槍的拉機柄位於機框正上方，從機匣上方伸出，因此左右手均可操作。但因為擋住了瞄準基線，所以採用了摺疊式的機械瞄具以抬高瞄準基線。而且這個拉機柄又妨礙了安裝瞄準鏡，所以64式步槍安裝光學瞄準鏡就像SVD那樣在機匣左側鏡橋支架上安裝。
機械瞄具由片狀準星和覘孔式照門構成，照門的射程裝定可在200～400米範圍內調整。前面提到，因為要抬高照門和準星來讓開遮擋視線的拉機柄，但為了防止過高的準星和照門在不使用時會鉤掛雜物從而損壞，所以設計成摺疊式，攜行時放倒，射擊時再豎起來。但部隊裝備64式步槍 後，在實際使用時反映其精度時好時壞，非常不穩定，經過調查，發現影響精度的問題主要有摺疊照門被頭盔碰歪、碰倒，槍口制退器鬆動等原因導致的。也就是說，有些可能是人為失誤，另一些則可能是質量問題。
64式步槍雖然可以加裝光學瞄準鏡成為狙擊步槍，不過配用的瞄準鏡只有2.2倍，這還是從美國M1C/D狙擊步槍的M84瞄準鏡發展而來，由尼康生產，雖然瞄準鏡的射程調節可達800米，但實際上這麼小倍率的瞄準鏡，在500米以外就已經很難看清楚目標了。瞄準鏡使用簡單的“T”形分劃，沒有分劃照明功能，因此在夜間難以使用。另外瞄準鏡座的設計也不好，只有一個固定螺絲，瞄準鏡極易移位。再加上日本自衛隊的狙擊步槍與瞄準鏡集中使用，狙擊手沒有個人專屬的步槍、瞄準鏡，使得狙擊手無法控制瞄準鏡保持于歸零狀態。在89式步槍剛取代64式步槍的時候，有部分安裝瞄準鏡的64式狙擊型還保留在一線部隊中使用。但陸上自衛隊從2002年開始換裝美國的M24 SWS，這些64式狙擊型也逐步淘汰出一線部隊。SAT特警隊成立初期也曾短暫裝備過64式的狙擊型，但後來也被M24 SWS所取代。
該槍可選擇單發或連發射擊，保險/快慢機柄位於機匣右側、扳機護圈上方。擊發機構內設計有專門的減速機構，使全自動時的理論射速降到每分鐘約450～500發。槍口安裝有一個高效槍口制退器，同時也是槍榴彈發射器。
護木上有散熱孔，前端下方裝有輕型的摺疊式兩腳架。槍托為實木，有鋼製的託底板鉸接在槍托上，在利用兩腳架進行有依託射擊時，可把託底板向上打開形成支肩板，提供更穩定的據槍姿勢。
64式步槍配用的減裝藥彈尺寸規格和北約標準彈完全相同，所用的彈頭也是和美軍的M80普通彈、M62曳光彈等完全一致，僅僅是減少了約10％的發射藥，此舉可降低後坐力和減少槍口上跳程度。由於發射減裝藥彈，且射速低，加上槍口制退器的緣故，使得這種7.62 NATO口徑步槍在全自動射擊很好操控。64式步槍也可以正常發射全裝藥的北約標準彈，但會大幅度加快槍的磨損。在發射全裝藥彈時，必須調節氣體調節器旋鈕以減小火藥氣體量和施加於活塞頭的壓力。
64式步槍的鍍鉻內膛實際上也是一個特點，如果只採用冷鍛槍管，壽命僅4000發。內膛加以鍍鉻後，槍管壽命增至3萬7千發，但機匣壽命僅有2萬4千發，就是說多出的1萬3千發壽命浪費掉了。
該槍的槍身較短，不足1米，但配用的刺刀比較長，達254mm。這個刺刀長度的確定實際上是個折中方案，因為當時陸上自衛隊關於刺刀樣式的討論分了幾派：認為刺刀無用的廢除刺刀派、支持舊陸軍三十年式刺刀的長劍派、支持美製M1卡賓刺刀的短劍派。最後取折中就是現在看到的長度。
64步槍最大的一個結構缺陷在於深入槍托的緩衝管，擊錘在機匣內後座時，會深入緩衝管內。但緩衝管壁較薄，且緩衝管與機匣連接不夠牢固，就造成容易變形。比較極端的案例是：射手據槍貼腮用力過大，可能導致緩衝管變形，卡住擊錘。擊錘無法前進，造成扣下扳機後無法擊發。射手發現故障，解除據槍姿勢檢查，緩衝管鬆開，擊錘前進，造成走火。 第一空挺團在空降訓練時，發生過64式步槍落地時摔碎的事故，就是由於這一結構上的脆弱性導致的。
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