發射
1963年4月2日，蘇聯用閃電號運載火箭把月球4號送入了297×67千米，傾角64.7度的低地球軌道，然後通過第2次點火使月球4號進入奔月球軌道。
運行
月球4號 莫斯科時間4月6日，月球4號繞過月球，距離月球最近的距離為8336.2千米。當時有媒體報導，在4月6～15日之間的某一時刻，月球4號終止了與地球的無線電通信，它繼續沿著拉長了90,000×700,000千米的地球軌道飛行，最後進入太陽軌道。
任務目標
月球4號拍攝的月球表面照片 月球4號重1422千克，是月球1號的4倍。雖然這一時期蘇聯公布了對太陽和宇宙射線研究的結果，但月球4號的確切任務並不為人所知，也就很少有人知道月球4號的結局。根據蘇聯出版的資料，月球4號與為實現月球軟著陸而研製的月球5～9號探測器有關。
據分析，其中的一種可能是，月球4號原計畫準備實施首次月球軟著陸，但由於中段軌道機動未獲成功而導致任務失敗。如果這種分析是正確的，那么可以將月球4號看作是月球9號的前身。如果月球4號取得成功，會促使蘇聯在載人登月方面邁出重要的一步。
但另外一種看法認為，月球5號在月球4號號發射後的長達兩年時間內沒有升空，這可能與蘇聯的運載火箭系統有關，因為蘇聯的閃電號運載火箭在E上面級得到改進之前，蘇聯探月計畫無法快速進展。
