Vostok 4 a été lancé un jour après Vostok 3 avec le cosmonaute Pavel R. Popovich à bord
Le vol a duré 71 heures et s'est déroulé sur une orbite proche de celle de Vostok 3. La distance minimale entre les deux vaisseaux a été d'environ 5 km. Les communications radio ont été maintenues entre les deux cosmonautes en orbite et la Terre pendant ce vol. Pour la première fois, des images télévisées ont été transmises depuis le vaisseau spatial et diffusées par le système de télévision soviétique. Une série d'expériences scientifiques et biomédicales a également été réalisée.
Le vaisseau a atterri dans la région de Karaganda quelques minutes après Vostok 3 à quelques kilomètres de là.