Lancée de Baikonour le 21 juillet à 19H31 par une fusée Proton qui se place sur une orbite 156/194 Km inclinée à 51,52° décrite en 87,94 mn. Le vol est suivi par des stations terrestres et par le navire spatial "Académicien Serguei Korolev" qui transmet les informations à Evpatoria par l'intermédiaire du satellite Molniya I. Mars 4 est repéré optiquement à 20 reprises les 21 et 22 juillet par l'Académie des Sciences de Kazakhie jusqu'a une distance de 35 000 Km, et à 32 reprises par le télescope de 2,6 m d'ouverture de l'observatoire de Crimée jusqu'a 90 000 Km. Une correction de trajectoire a lieu le 30 juillet. Les Soviétiques ont conservé la plupart de leurs dispositions antérieures concernant les vols vers Mars, émission sur 928,4 Mhz, navigation grâce à un senseur stellaire repérant Canopus. Cependant, les quatre engins russes lancés vers Mars au cours de l'été 1976 ont été construits à partir d'un compartiment de vol normalisé auquel ont été ajoutés :
- Des réserves de combustible, un équipement scientifique pour l'étude orbitale de Mars et des antennes spéciales pour relayer les capsules d'atterissage de la seconde vague, sur Mars 4 et Mars 5, satellisation prévue autour de Mars.
- Un compartiment d'atterrissage, sur Mars 6 et 7. Mars 4 étudie le vent solaire pendant le parcours Terre-Mars et à proximité de Mars. La mise sur orbite martienne échoue le 10 février 1974 et la sonde survol Mars à 2 200 Km après avoir recueilli au passage 12 photographies avec un filtre rouge. Deux caméras se trouvent à bord, elles ont respectivement 52 mm de focale, objectif Vega 3 MSA ayant un champ de 35°42' et 350 mn de focale, objectif Zoufar 2 SA ayant un champ de 5°40'. Seul la première caméra a pu être mise en service, les images ayant été, selon la technique habituelle, développées grâce un dispositif de traitement automatique. En régime de prise de vues l'appareillage consomme 35 W, la transmission exige 19 W. La sonde a permie une intéressante expérience d'occultation, et l'emploi de deux longueurs d'onde cohérente, 8 cm et 32 cm, a fourni un profil vertical de la distribution électronique dans l'atmosphère diurne et nocturne. Dans cette dernière, un maximum de concentration électronique, 4 600 +/- 250 électrons / cm3, a été enregistré à 110 Km.