Era idéntica a la Mariner 3 y se diseñó para realizar detalladas observaciones científicas de Marte, incluyendo mediciones de las partículas y los campos interplanetarios en las cercanías de Marte.
Después de siete meses y medio de viaje y de una maniobra para corregir la trayectoria el 5 de diciembre de 1964, la nave sobrevoló Marte entre el 14 y el 15 de julio de 1965 durante esta fase se tomaron 21 imágenes.
Se volvió a conectar de nuevo con éxito a finales de 1967. El detector de polvo cósmico registró 17 impactos en un periodo de 15 min el 15 de septiembre, fruto de una posible lluvia de meteoritos que modificó la orientación de la nave y dañó el escudo térmico.
El 7 de diciembre se agotó el gas encargado de modificar la orientación de la Mariner 4 y entre el 10 y el 11 del mismo mes se detectaron 83 impactos de micrometeoritos, lo que modificó más su orientación y con ello se perdía potencia en la señal de radio.
El 21 de diciembre finalizaron las comunicaciones con la Mariner 4.
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