Sond startis 28. novembril1964 ja sooritas 14.–15. juulil1965 esimese kosmosesondina möödalennu Marsist ja pildistas seda. See oli esimene kord inimkonna ajaloos, kui kosmosesond saatis süvakosmosest pildid teisest planeedist. Mariner 4 tõestas, et suure tõenäosusega pole Marsil intelligentset elu ja kuigi need pildid olid teadlastele suureks pettumuseks, oli missioon inseneridele kasulik, sest nad said teadmisi ja kogemusi pikkadele kosmosemissioonidele saadetavate seadmete ehituseks ja kasutamiseks.[2][3][4][5]