Корабль Shenzhou-4 был запущен 29 декабря 2002 года в 16:40 UTC (30 декабря в 12:40 по пекинскому времени) ракетой-носителем CZ-2F с космодрома Цзюцюань (Jiuquan) на северо-западе Китая. Корабль был успешно выведен на околоземную орбиту.
По словам директора аэрокосмического центра в Шанхае Юань Цзе, данный корабль является значительно более усовершенствованной моделью по сравнению с тремя предыдущими аппаратами этой серии, уже совершивших полеты в космос. Во время подготовки к полёту в кабине корабля работали космонавты, отрабатывая подготовку к пилотируемому полёту. Помимо различной аппаратуры (в том числе полноценной панели управления), для проверки готовности системы жизнеобеспечения по время полёта в спускаемом аппарате был размещен манекен космонавта в скафандре.
2 января 2003 года двигатель корабля был включен на 5 секунд, в результате чего была сформирована орбита с параметрами:
Через неделю после запуска от корабля отделился спускаемый модуль, который 5 января 2003 года в 11:16 UTC совершил посадку в пустыне Гоби в китайском автономном округе Внутренняя Монголия в 40 км от города Хух-Хото (Hohhot), длительность полета составила 6 суток 18 часов 36 минут.
Орбитальный модуль корабля продолжал полет, и в конце января - начале февраля 2003 года совершил, как минимум, два маневра.