对于M551轻型坦克来说，最可炫耀的资本就是其M81型152mm两用炮了。该炮由沃特布利特公共产研制，它不仅可以发射普通炮弹还可以发射MGM-51橡树棍反坦克导弹。与苏联可以发射炮射导弹的主炮不同，该炮是一种低膛压火炮，不可发射高速尾翼稳定脱壳穿甲弹，弹种以破甲弹为主。它具备双向稳定器，采用液压-弹簧式同心反后坐装置。
全炮重607kg，只占全车重的3.8%，不到M68坦克炮的一半，身管长2870mm，并有导弹发射导引轨及发射破甲弹的专用摆动式炮闩。火炮身中央有抽烟装置，炮口安装保护套。
M81两用炮的一大亮点就是可以发射炮射导弹。乍一看上去，152mm火炮似乎是更接近苏联体系的口径，其实这主要是为了能够发射MGM-51炮射导弹，另外曾经进行研制的陶式炮射反坦克导弹的直径也为152mm。
MGM-51是由费尔科公司从1956年开始研制的，研制时称为XM13，1963年7月改称XMGM-51，绰号“橡树棍”。这是一种中程反坦克导弹系统。MGM-51A直径152mm，重27kg，全弹长1140mm，最大飞行速度达200m/s，射程为200~2000m，最大垂直破甲厚度500mm，可以击穿当时任何一种坦克的前装甲。
导弹采用目视瞄准、红外自动跟踪、自动指令制导方式，是典型的第二代反坦克导弹系统。后来在MGM51-A的基础上改进的MGM-51B，射程增加到3000m。后期的M551坦克换装了M81E1主炮，导弹也升级为MGM-51C，不过其射程并未增加。
导弹的使用使“谢里登”坦克能在3000m的最远距离上击毁当时任何一种主战坦克，具备了强大的火力。类似M81式152mm火炮。导弹发射管的主要武器系统后来也作为M60A2坦克和1970年被取消的MBT-70坦克上的主要武器。
152mm火炮配用的M409E5式多用途破甲弹全重仅22.2kg，弹丸重19.0kg，初速687m/s，有效射程约1500m，最大垂直破甲厚度达500mm，并能起破片杀伤作用。
火炮曾计划采用XM409破甲弹，XM410-WP黄磷发烟弹和XM411-TP训练弹以及高爆榴弹。但后来烟雾弹没有作为其制式弹种，其主弹种为定型后的M409破甲弹，后来又采用了M409A1型破甲弹。
M409采用分为两块的M157可燃药筒，而M409A1则使用硬度提高的M205可燃药桶。用于打击步兵的榴弹最终也没有投入使用，而美军参加越战时还研制了M625和M625A1霰弹，弹内装1万根7kg的钢针，一旦爆炸便对人员有很大的杀伤力。这几种炮弹的可燃药筒均全可燃药筒，不成熟的技术也为后来M551因可燃药筒问题退役而埋下了祸根。
尽管用火炮发射导弹在当时是比较新鲜的事，但是这种方式看上去没有什么不妥，反倒是发射普通炮弹式出了点问题。当其发射带可燃药筒的普通炮弹时，大量燃烧后的气体和残渣留在炮管内，导致无法装填下一发炮弹，甚至会引爆已装入的炮弹，这个问题在研制期间就已经暴露，但是直到生产时也没有完全解决。
为了根治这一顽症，1967年底，阿里逊公司开始研制一种残渣去除系统，1968年3月便研制出了“炮尾闭锁去除残渣装置”(CBBS)样品，试验表明其具有一定的作用，从第700辆生产型开始CBBS系统装车，并加装在以前生产的车辆上。CBBS系统的原理也很简单，它通过4个压气机驱动两个气筒，向炮管内吹气，将炮管内的燃气吹致炮口。实际上即是一种抽烟装置。
“谢里登”坦克共备弹30发，其中普通炮弹20发，导弹10发。驾驶员左侧设有两个弹药箱，可存放13发普通炮弹，右边的弹药箱可存放7枚导弹。
另外在主炮的两侧也设有弹药箱，左侧可存放5发普通炮弹，右侧可存放3发导弹或者炮弹，炮塔吊篮后部的还可存放2发炮弹或者导弹，装填时，装填手将首先使用此处的炮弹。需要指出的是这种弹药存放方式不利于防护，在此后的实战中这个缺点也暴露无遗。