Start in Baikonur; Landung 40 km nordwestlich von Karaganda.

Der Start musste erstmalig in der sowjetischen Raumfahrtgeschichte wegen schlechten Wetters verschoben warden (geplant war der Start für den 13. Januar 1969). Kopplung mit der wenig später gestarteten Sojus 5, wobei Sojus 4 die aktive Rolle übernahm. Es war damit das erste Docking von zwei bemannten Raumschiffen, die sowohl mechanisch als auch elektrisch miteinander verbunden waren. Es gab aber keine Durchstiegsluke zum jeweils anderen Raumschiff. Umstieg der Kosmonauten Chrunow und Jelissejew durch einen Weltraumspaziergang zu Sojus 4. Dazu musste die Sojus 4-Kapsel zunächst drucklos gestellt werden, damit die beiden Kosmonauten auch einsteigen konnten. Erst, nachdem sie im Raumschiff waren, konnte wieder der Druck hergestellt werden. Während des Fluges wurden zudem wissenschaftliche (medizinische und biologische) und technische Experimente durchgeführt. Letztlich waren dieses aber alles Tests für die beabsichtigte sowjetische Mondlandung.

Die Landung erfolgte nur 40 km vom beabsichtigten Ziel entfernt.