75-мм пушка была вскоре признана недостаточно мощной для борьбы с «Тиграми» и «Пантерами». В августе 1942 года предпринимается попытка установить 76,2-мм пушку в М4А1, однако его башня оказалась неподходящей. В 1943 году разрабатывался опытный танк Т23 – прототип будущего М26, вооруженного 90-мм пушкой. Его башня, но с 76-мм пушкой и спаренным 7,62-мм пулеметом, была без изменения поставлена на М4. Выпуск танков с нею начался в марте 1944 года. Ее бронебойный снаряд имел начальную скорость 810 м/с (вместо 620 у прежних 75-мм пушек) и пробивал на дальности 900 м 100-мм броню. Справа на башне на кронштейне устанавливался 12,7-мм зенитный пулемет. Третий, калибра 7,62 мм, находился в шаровой установке в лобовом листе корпуса. Башня имела вращающийся полик. Размещение боеукладки на дне боевого отделения потребовало поднять его, что увеличило общую высоту танка. На части танков применена так называемая «мокрая» укладка боеприпасов: выстрелы к пушке размещались в трубках, проходящих через бакс этиленгликолем или водой. При попадании снаряда в укладку жидкость гасила воспламеняющиеся боеприпасы.
Применялся также стабилизатор пушки в вертикальной плоскости и гидроэлектрический механизм поворота башни, имевший дублированный привод к командиру и наводчику.
Из пяти членов экипажа трое размещались в башне, Водитель (слева) и его помощник располагались в передней части корпуса и имели свои люки с вмонтированными в них перископами.
На части М4А3 была модифицирована ходовая часть, поскольку прежняя вызывала нарекания по причине узких гусениц, жесткой езды и недолговечности спиральных пружин. Со всеми нововведениями (новая башня, пушка и т.п.) первоначальная масса с 30,6 возросла до 35 т. На танке, получившем обозначение М4А3Е8, была принята ходовая часть все того же опытного Т23, тележка которой имела четыре катка (по два рядом) с балансирами новой конструкции, спиральные пружины, установленые горизонтально, и добавленные резиновые амортизаторы. Любой каток теперь можно было заменить, не снимая тележки.
На М4А3Е8, известных в войсках под прозвищем «верная восьмерка», была несколько увеличена толщина брони. Эта модель оказалась венцом развития М4 и использовалась только в американской армии.
М4, получивший в Англии название «Генерал Шерман», в 1943 – 1945 годах оказался основным и лучшим танком британской армии. Первые 270 «Шерманов» прибыли в Северную Африку в октябре 1942 года и 24 октября приняли боевое крещение под Эль-Апамейном. Вместе со средними М3 они составляли более половины всех танков английской 8-й армии. Англичанам поставлялись все модификации, но в основном М4А4 (в общей сложности 5 тыс., не считая канадских RAM). Когда англичане установили на «Шермане» свою 76-мм пушку (что потребовало смены башни), то получили самый сильный танк из всех, имевшихся в английской армии в ходе войны: «Шерман Файрфлай», которые начали поступать в войска с февраля 1944 года. Они единственные из танков союзников были способны бороться с немецкими «Тиграми» и «Пантерами», да и то с близкой дистанции.
М4 оказался неплохим, простым в изготовлении. Это облегчило массовое производство на неспециализированных заводах, не имевших опыта в танкостроении, До конца войны выпустили 48 071 танк всех модификаций, включая 1332 канадских RAM и «Гризли» (М4А1). Танк отличался надежностью в эксплуатации, прочностью конструкции, ремонтопригодностью, но был относительно слабо вооружен и бронирован. Эти недостатки пытались устранить, в частности, на модификации М4А3Е2 – путем экранировки увеличена толщина лобовой брони корпуса до 100 мм. Он считался временной заменой еще не готового тяжелого танка поддержки пехоты Т26У1, башня которого с 250-мм броней была установлена на М4, которые были более или менее равноценны немецким TIV, но не могли вести открытый бой с «Тиграми» и «Пантерами». В Корее (1950 – 1953 гг.) не оправдались надежды на М4А3Е8, который по вооружению и проходимости уступал Т-34-85.
На базе М4 создали несколько СУ, саперных и вспомогательных машин, в частности истребители танков М10 и М36, самоходные 155-мм пушка М40 и 203-мм гаубица М43. Многие танки оборудовались пусковыми установками для ракетных снарядов.