Wostok 4 startete vom Kosmodrom Baikonur. Die Landung erfolgte 193 km südwestlich von Karaganda.

Mit dem Start dieser Mission waren erstmals zwei Raumfahrer gleichzeitig im All. Es folgte ein zeitweiliger Gruppenflug mit Wostok 3, wobei sich beide Raumschiffe bis auf ca. 6,5 km (Sichtweite) näherten. Die beiden Kosmonauten hielten über einen längeren Zeitraum hinweg die Funksprechverbindung aufrecht, wobei sie Beobachtungen und Angaben über Messwerte in ihren Raumfahrzeugen austauschten. Die Raumschiffe wurden indes nicht aktiv selbst gesteuert, sondern die Bahnen waren sorgfältig berechnet worden, entsprechend schnell drifteten sie auch wieder auseinander.

Durch einen Defekt im Lebenserhaltungssystem sank die Temperatur in der Kabine bis auf 10 °C. Eine erste Direktübertragung von Fernsehbildern auf die Erde fand statt. Pawel Popowitsch hatte die Order, der Bodenstation Meldung zu machen, dass er Wirbelstürme gesehen habe, wenn er gesundheitliche Probleme bekommen würde (Weltraumkrankheit). Fatalerweise sah er dann aber tatsächlich einen Wirbelsturm über dem Golf von Mexiko. Nachdem er dieses dann ordnungsgemäß mitgeteilt hatte, wurde seine Mission aufgrund dieses Missverständnisses tatsächlich um einen Tag gekürzt.

Die Landung erfolgte in der gleichen Art, wie bei den bisherigen Wostok-Flügen und fast gleichzeitig und nur 190 km von Wostok 3 entfernt.

Der Gruppenflug von Wostok 3 und Wostok 4 wurde als große Errungenschaft der sowjetischen Raumfahrt gefeiert. Auch wenn inzwischen bekannt ist, dass die Raumschiffe selbst nicht gesteuert werden konnten, ist es als großartige Leistung anzusehen, zwei Starts innerhalb von 24 Stunden durchzuführen. Auch die Übertragung von Sprache und Telemetrie zu zwei Raumschiffen gleichzeitig war eine besondere Leistung, schließlich gab es damals noch keine Nachrichtensatelliten und die Sowjetunion verfügte im Gegensatz zu den USA nicht über ein weltumspannendes Netz von Bodenstationen.