3 марта 1959 года состоялся запуск автоматической межпланетной станции "Пионер-4" с мыса Канаверал, главная цель которого - исследование Луны с пролетной траектории. Аппарат был полностью идентичен "Пионеру-3" и представлял собой конусообразный зонд высотой 51 см и диаметром 23 см в основании. Сам конус состоял из тонкой фиберглассовой оболочки, покрытой золотом для электропроводимости и выкрашенной в белые полосы для поддержания температуры в диапазоне между 10 и 50 ° C. На вершине конуса находилась небольшая антенна, которая работала в сочетании с самим конусом - все вместе это превращалось в антенну большего размера. В основании конуса было установлено кольцо ртутных батарей, обеспечивавших питание аппарата. Фотоэлектрический датчик выступал из центра кольца и был снабжен двумя фотоэлементами, которые должны были срабатывать при свете Луны, когда зонд находился в пределах 30 000 км от спутника Земли. В центре конуса находились магистраль для подачи питания и две трубки Гейгера-Мюллера. Лабораторная система Microlock, используемая для связи с более ранними спутниками Explorer, не имела достаточного радиуса действия для выполнения этой миссии, поэтому была разработана новая радиосистема под названием TRAC (E) Tracking And Communication (внеземная), которая была неотъемлемой частью комплекса связи Goldstone Deep Space. Общий вес аппарата составлял 5,87 килограмма. "Пионер-4" был несколько модифицирован по сравнению со своим предшественником, а именно - было добавлено свинцовое экранирование вокруг трубок Гейгера и модифицированы системы телеметрии для повышения ее надежности и силы сигнала.
4 марта 1959 в 17:25 "Пионер-4" пролетел на расстоянии 60 000 километров от Луны на скорости 7,230 км/с - это расстояние было слишком велико для срабатывания фотосенсора, потому "Пионер-4" передавал данные о радиационной обстановке на протяжении 82 часов до расстояния 658000 километров. В результате не было обнаружено никакой радиации в лунных окрестностях. После пролета Луны "Пионер-4" вышел на гелиоцентрическую орбиту и стал спутником Солнца. Это первый американский аппарат, развивший вторую космическую скорость и преодолевший, таким образом, притяжение Земли.