С мая 1944 года на танк устанавливалась новая литая башня увеличенного размера, но с тем же диаметром башенного погона в свету. Вооружение монтировалось в новой маск-установке (толщина брони — 100 мм). На крыше башни имелись командирская башенка с шестью стеклоблоками триплекс и перископическим прибором наблюдения, овальный люк заряжающего, лючок прибора наблюдения, кронштейн зенитного пулемета и антенный ввод. В левом борту башни находился лючок для стрельбы из личного оружия, на корме монтировался вентилятор боевого отделения.
На М4А2 устанавливалась 75-мм пушка МЗ с длиной ствола 37,5 калибра. С 1944 года на танк M4A2(76)W устанавливалась 76-мм пушка М1А1, а затем М1А1С или М1А2 с длиной ствола 52 калибра. Все пушки имели вертикальные клиновые затворы и полуавтоматику копирного типа. Вертикальная наводка — от -10° до +25°. Пушки были стабилизированы в вертикальной плоскости наведения.
В танке устанавливались два 7,62-мм пулемета Browning М1919А4, один спаренный с пушкой, другой — курсовой, и 50,8-мм дымовой гранатомет МЗ. На крыше башни был смонтирован зенитный крупнокалиберный 12,7-мм пулемёт Browning M2HB.
Боекомплект танка М4А2 состоял из 97 артвыстрелов, 300 12,7-мм и 4750 7,62-мм патронов, 12 дымовых гранат; танка M4A2(76)W — 71 артвыстрел, 600 12,7-мм и 6250 7,62-мм патронов, 14 дымовых гранат.
На танке М4А2 устанавливалась силовая установка GMC 6046 модели 71, состоявшая из двух 6-цилиндровых двухтактных бескомпрессорных рядных дизелей, расположенных параллельно и соединенных в один агрегат мощностью 375 л.с. при 2100 об/мин. Пуск двигателей осуществлялся электростартерами. Для облегчения зимнего пуска использовались две факельные форсунки с запальными свечами на каждый двигатель.
Трансмиссия состояла из двух однодисковых главных фрикционов сухого трения (по одному на двигатель), поперечной соединительной передачи, карданного вала, коробки передач, механизма поворота и бортовых передач. Коробка передач — механическая, пятискоростная (5+1), с синхронизаторами на всех передачах, кроме 1-й и заднего хода. Механизм поворота — двойной дифференциал типа «Клетрак».
Ходовая часть танков М4А2 и M4A2(76)W применительно к одному борту состояла из шести одинарных обрезиненных опорных катков, сблокированных попарно в три балансирные тележки, подвешенные на двух вертикальных буферных пружинах каждая; трех поддерживающих катков, направляющего колеса, ведущего колеса переднего расположения со съемными зубчатыми венцами (зацепление цевочное). В каждой гусенице 79 двухгребневых траков шириной 420,6 мм, шаг трака 152 мм. Траки металлические или резинометаллические с сайлент-блоком.
Ходовая часть танка M4A2(76)W HVSS применительно к одному борту состояла из шести сдвоенных обрезиненных опорных катков, сблокированных попарно в три балансир-ные тележки, подвешенные на двух горизонтальных буферных пружинах каждая; трех одинарных и двух сдвоенных поддерживающих катков, обрезиненного направляющего колеса, ведущего колеса переднего расположения со съемными зубчатыми венцами (зацепление цевочное). В каждой гусенице 79 одногребневых траков шириной 584,2 мм, шаг трака 152 мм. Траки металлические или резинометаллические с сайлент-блоком. В каждой тележке подвески устанавливался гидравлический амортизатор.