Po wykonaniu najważniejszego zadania (lot do Księżyca i minięcie go), Pioneer 4 zwrócił dane o promieniowaniu i umożliwił Amerykanom wykonanie cennych ćwiczeń w zakresie namierzania odległych statków kosmicznych. Statek zbliżył się na 58 983 km do powierzchni Księżyca 4 marca 1959 roku (godz. 22:25 GMT, nad punktem 7,2° E i 5,7° S), z prędkością 7230 km/h. Odległość ta była za mała do wyzwolenia czujników fotoelektrycznych – nie wykonano zdjęć powierzchni Księżyca. Następnie sonda weszła na orbitę heliocentryczną, na której przebywa do tej pory. Parametry wokółsłonecznej orbity Pioneera 4 były następujące: peryhelium 146,8 mln km (prędkość ruchu sondy w kierunku równoległym do powierzchni Słońca była wówczas równa 30,9 km/s), aphelium 169,3 mln km (prędkość 26,6 km/s), czas trwania jednego okrążenia wokół Słońca 392 doby. Sonda była śledzona przez 82 godziny, do osiągnięcia dystansu 655 000 km. Peryhelium osiągnęła 18 marca, o godz. 1:00 GMT, aphelium w dniu 29 września 1959 r.
Wraz z sondą na orbitę weszła także cylindryczna obudowa czwartego stopnia rakiety nośnej Juno II, oznaczona 1959 Nu 2, tj. 1959-013B.