Корабът „Союз 4“ стартира от космодрумаБайконур на 14 януари 1969 г. На следващия ден стартира кораба Союз 5, на борда на който са Борис Волинов, Алексей Елисеев и Евгений Хрунов. На 16 януари в 08:20 часа се скачват в космоса. Това е първото скачване на два пилотирани космически кораба. По време на скачването активен бил корабът „Союз 4“. На 35-ата обиколка около Земята космонавтите Е. Хрунов и А. Елисеев излизат в открития космос и преминават в „Союз 4“. Този преход е елемент от подготовката за предполагаемия полет към Луната. Съветската телевизия предавала пряко прехода на космонавтите от единия към другия кораб. Хрунов и Елисеев използвали скафандри „Ястреб“, а командирът на „Союз 5“ им помагал в обличането. Тъй като този вариант на „Союз“ – Союз 7К-ОК не е имал преходен люк, В. Шаталов преминава в спускаемия апарат на кораба, а орбиталния отсек се използвал за шлюзова камера и е разхерметизиран, за да могат двамата космонавти да влязат в кораба. След това орбиталния отсек на „Союз 4“ е запълнен с въздух и В. Шаталов отваря преходния люк към спускаемия апарат. Хрунов и Елисеев предават на командира писма, телеграми и вестници, излезли след неговото излитане. Корабите се намират в скачено състояние 4 часа и 35 минути.
„Союз 4“, с тримата космонавти на борда се приземява на 17 януари 1969 г. на 40 км северозападно от Караганда.
Полетът е с продължителност 2 денонощия 23 часа 20 минути и 47 секунди.