1963年4月2日，苏联用A-2-e运载火箭把“月球”-4号送入了297×67千米，倾角64.7度的低地球轨道，然后通过第2次点火使“月球”-4号进入奔月轨。
莫斯科时间4月6日，“月球”-4号绕过月球，距离月球最近的距离为8,500千米。当时有媒体报道，在4月6～15日之间的某一时刻，“月球”-4号终止了与地球的无线电通信，它继续沿着拉长了90,000×700,000千米的地球轨道飞行，最后进入日心轨道。
“月球”-4号重1422千克，是“月球”-1号的4倍。虽然这一时期苏联公布了对太阳和宇宙射线研究的结果，但“月球”-4号的确切任务并不为人所知，也就很少有人知道“月球”-4号的结局。
根据苏联出版的资料，“月球”-4号与为实现月球软着陆而研制的“月球”-5～9号探测器有关。据分析，其中的一种可能是，“月球”-4号原计划准备实施首次月球软着陆，但由于中段轨道机动未获成功而导致任务失败。如果这种分析是正确的，那么我们可以将“月球”-4号看作是“月球”-9号的前身。如果“月球”-4号取得成功，也许会促使苏联在载人登月方面迈出重要的一步。但另外一种看法认为，“月球”-5号在“月球”-4号号发射后的长达两年时间内没有升空，这可能与苏联的运载火箭系统有关，因为苏联的A-2-e火箭在E上面级得到改进之前，苏联探月计划无法快速进展。 （编辑：张广平）
