26 декабря 1974 года, ракетой-носителем «Протон-К» с космодрома БАЙКОНУР была запущена долговременная орбитальная станция ДОС-4 и успешна выведена на околоземную орбиту.
Еще до завершения программы полета "Салюта-3", был запущен следующий "Салют". Внешний вид и габариты станции остались такими же, как и у предшествующих, но "начинка" была существенно модернизирована. Конструктивно станция также состояла из переходного, рабочего и негерметичного агрегатного отсеков. Рабочий отсек был немного переоборудован : появилась "медицинская зона" со специальным креслом для контроля вестибулярного аппарата, традиционной дорожкой КТФ и не использовавшимся ранее велоэргометром, который служит как велотренажер и одновременно позволяет контролировать состояние космонавта при физической нагрузке.
Масса научной аппаратуры Салюта-4 составляла около 2 т, в ее состав входили 25 см солнечный телескоп ОСТ-1 (разработка КрАО), спектрометры (дифракционный КДС-3, для регистрации изотопов легких ядер СИЛЯ-4, солнечный КСС-2, ИК-телескоп ИТС-П), регистраторы метеорного вещества ММК-1 и нейтральных частиц «Рябина», масс-спектрометр «Спектр», датчик температуры верхней атмосферы «Эмиссия», аппаратура для наблюдения за Землей (КАТЭ-140, КАТЭ-500, БА-ЗК), телефотометр «Микрон», оборудование для медицинских и технологических экспериментов.
12 января 1975 г. на борт "Салюта-4" прибыл первый экипаж :командир корабля Алексей Губарев и бортинженер Георгий Гречко ("Союз-17"). Первые два дня экипаж проводил расконсервацию станции, проверял работоспособность бортовых систем и научной аппаратуры. Программа полета первого экипажа началась медицинскими экспериментами по определению и прогнозированию состояния сердечно-сосудистой системы, а также испытания специальных вакуумных костюмов типа "Чибис", создающих отрицательное давление на нижнюю часть тела, чтобы уменьшить приток крови к голове. Было проведено также полное электрокардиографическое обследование, взяты пробы крови для последующего анализа на Земле. Научная и техническая программы работы экипажа предусматривали отработку методов автономной навигации, используя новые приборы для ориентации станции по Солнцу, планетам, Земле и Луне. 9 февраля 1975г., завершив 30-суточную программу исследований, космонавты вернулись на Землю, а ОC "Салют-4" продолжила полет в автоматическом режиме.
5 апреля 1975 г. была предпринята попытка отправить на станцию следующий экипаж в составе командира Василия Лазарева и бортинженер Олега Макарова ("Союз-18"), но на 261-ой секунде полета ракеты, когда уже произошел сброс головного обтекателя и должна была отделиться вторая ступень, произошла авария носителя. Произошел отстрел полезного груза и спускаемый аппарат вернулся на землю в аварийном режиме : перегрузки при спуске достигали 20 g. Спускаемый аппарат приземлился в горном районе Алтая. По инструкции командир должен был после посадки отстрелить парашют, но Лазарев почему-то не сделал этого, и, как выяснилось позже, это спасло космонавтам жизнь : парашют зацепился за дерево, и корабль завис у края пропасти. Поисковые службы быстро обнаружили космонавтов, но снять их со скалы удалось только на вторые сутки. Впоследствии корабль, так и не поднявшийся на орбиту, назвали "Союз-18-1"
26 мая 1975г. , после стыковки и проверки бортовых систем "Салюта-4", вторая основная экспедиция перешла на станцию:командир корабля Петр Климук и бортинженер Виталий Севастьянов ("Союз-18" или"Союз-18-2"). В течении 63-суточной космической вахты были проведены исследования Солнца, звезд и планет в различных диапазонах спектра, наблюдения и съемка серебристых облаков, полярных сияний и других явлений в атмосфере. Космонавтам удалось вырастить на орбите горох, починить телескоп, сделать уникальные фотоснимки, поставить десятки успешных экспериментов. Впервые применённая система регенерации воды из влаги атмосферы станции снабжала космонавтов горячей питьевой водой.Полностью выполнив запланированную программу, 26 июля 1975 г. космонавты благополучно возвратились на Землю.
Некоторое время станция летала в автоматическом режиме. 17 ноября 1975 г. стартовал беспилотный КК "Союз-20" и через двое суток автоматически состыковался со станцией. В совместном полете продолжались дальнейшая отработка и испытание конструкций, агрегатов и бортовых систем обоих космических аппаратов. На борту "Союза-20" проводились также комплексные биологические эксперименты с растениями и микроорганизмами. После отстыковки и мягкой посадки СА "Союза-20" полет станции продолжался в автоматическом режиме. В соответствии с программой ОC поддерживала ориентацию на Землю или звезды, сохраняя в течении всего полета оптимальное положение солнечных батарей.
После двухгодичного пребывания станции на орбите в связи с израсходованием бортового запаса топлива было принято решение о прекращении полета. 3 февраля 1977 г., после проведения заключительных операций по командам с Земли была включена ДУ "Салюта-4", в результате торможения станция перешла на траекторию спуска и вошла в плотные слои атмосферы над заданным районом акватории Тихого океана.