Wejście w atmosferę nastąpiło 7 grudnia (19:51 UTC), a miejsce upadku określają współrzędne: 16,4° N; 18,6° E. Próbnik nadawał przez około 25 godzin z podróży trwającej 38 godz, i 6 min. Niedobór 13 godzin był spowodowany lokalizacją stacji śledzenia, które w tym czasie nie były widoczne dla statku. Dane zwrócone przez statek wskazywały, że przez większość czasu temperatura wewnątrz statku wynosiła około 43 °C. Dane liczników promieniowania miały istotną wartość naukową, gdyż wskazywały istnienie dwóch oddzielnych pasów radiacyjnych.
Budowa i działanie Pioneer 3 i Pioneer 4 były bliźniaczymi konstrukcjami. Satelita miał masę 5,87 kg i kształt stożka o wysokości 0,58 m i średnicy 0,28 m. Był wykonany z pozłacanego włókna szklanego, które zapewniało przewodność elektryczną kadłuba. Pomalowany był w pasy, dla regulacji temperatury. Zasilanie odbywało się z baterii rtęciowej. Antenę stanowił kadłub statku wraz z cienkim bolcem umieszczonym na jego szczycie. W środku podstawy sondy umieszczono czujnik fotoelektryczny sprzężony z dwiema fotokomórkami, będący częścią mechanizmu spustowego aparatów fotograficznych. Miał on zostać aktywowany światłem Księżyca, gdy sonda znalazłaby się w odległości ok.