Pierwsza amerykańska sonda Marsa, która sfotografowała planetę z trajektorii przelotowej.

Start nastąpił 28 listopada 1964 r. o godz. 14:22:01 UT.
Rakieta Atlas Agena D wyniosła sondę w kierunku planety Mars. Aparat o masie 260,68 kg wyposażony został w kamerę TV,  magnetometr, detektor pyłu,  detektor cząstek uwięzionych, licznik Geigera oraz urządzenia do badania plazmy słonecznej i promieniowania kosmicznego.
Mariner-4 był zasilany z czterech baterii słonecznych o rozmiarach 176x90 cm, które w pobliżu Marsa wytwarzały moc 310 W. Na końcach baterii umieszczono 4 łopatki "żagla słonecznego" o powierzchni 0,65 m kw. każda, rozpiętość baterii z łopatkami sięgnęła 688 cm.

15 lipca 1965 r. o godz. 01:00:57 UT Mariner-4 zbliżył się do Marsa na minimalną odległość 9 846 km.
O godz . 00:18:36 włączona została kamera, która wykonała serię 22 zdjęć obejmujących pas od 40N, 170E do 35S, 200E łącznie ok. 1% powierzchni planety. Obrazy zostały zapisane w pamięci sondy i przesłane dwukrotnie na Ziemię w okresie pomiędzy 15 lipca a 3 sierpnia 1965 roku. Na najdokładniejszych zdjęciach rozdzielczość wynosiła 3 km.
Po zbliżeniu do planety sonda pozostała na orbicie heliocentrycznej, gdzie prowadziła badania promieniowania kosmicznego oraz gęstości pyłu w przestrzeni międzyplanetarnej do 1 października 1965 roku. Kontakt z Marinerem-4 wznowiono jeszcze w drugiej połowie roku 1967 i zliczenia uderzeń meteoroidów były kontynuowane, ostatecznie łączność została utracona 21 grudnia 1967 roku.