Esta foi lançada a partir de um Sputnik Tyazheliy (67-058B) em direção ao planeta Vénus com a missão de estudar a atmosfera local. A 18 de outubro de 1967, a sonda espacial entrou na atmosfera venusiana e libertou dois termómetros, um barómetro, um rádio-altímetro, um indicador da densidade atmosférica, 11 analisadores de gases e dois rádio-transmissores que operavam na banda DM.
O módulo principal, que transportou a cápsula para Vénus, incluía um magnetómetro, detectores de raios cósmicos, indicadores de hidrogénio e oxigénio e aparelhos para recolha de partículas carregadas. Foram enviados sinais da sonda espacial, que abrandou e libertou um sistema de paraquedas depois de entrar na atmosfera venusiana, a uma altitude de 24,96 quilómetros. Venera-4 foi a primeira sonda a realizar com sucesso a análise do ambiente de outro planeta. Foi também a primeira sonda a pousar em outro planeta.
Venera 4 realizou a primeira análise química da atmosfera venusiana, mostrando que Vénus tem principalmente dióxido de carbono com uma pequena percentagem de azoto e abaixo de um por cento de oxigénio e vapor de água. Também foi ela que detectou que Vénus tinha um campo magnético fraco e sem radiação. A camada atmosférica exterior continha muito pouco hidrogénio e oxigénio não atómico. A sonda enviou as primeiras medições diretas provando que Vénus é extremamente quente, que a atmosfera era muito mais densa do que a esperada e que Vénus tinha perdido a maior parte da sua água há muito tempo.
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