Lancée le 28 novembre 1964, elle réalisa le premier survol de Mars le 14 juillet 1965. Elle photographia les cratères et on s'aperçut que l'atmosphère martienne, essentiellement composée de gaz carbonique, était très mince.

La mission Mariner 4 avait trois objectifs:

1. Etudier les zones et les particules interplanétaires,
2. Prendre des images de Mars,
3. Accumuler de l'expérience pour lancer des missions basées sur le long terme.