Hai thiết bị thăm dò 4V-1 giống hệt nhau đã được phóng vào tháng 6 năm 1967. Chiếc máy dò đầu tiên, Venera 4, được phóng vào ngày 12 tháng 6 bởi một tên lửa mang tên Molniya-M bay từ sân bay vũ trụ Baikonur[3]. Một đợt điều chỉnh đường đi được thực hiện vào ngày 29 tháng 7 khi nó cách Trái Đất 12 triệu km; nếu không thì thiết bị thăm dò sẽ bỏ qua Sao Kim. Mặc dù đã có hai lần điều chỉnh như vậy, nhưng điều chỉnh đầu tiên là đủ chính xác và do đó sự điều chỉnh thứ hai đã bị hủy bỏ. Vào ngày 18 tháng 10 năm 1967, phi thuyền vũ trụ tiến vào bầu khí quyển sao Kim với một nơi đổ bộ ước tính gần 19°N 38°E.[6] Cuộc thăm dò thứ hai, Kosmos 167, được phóng vào ngày 17 tháng 6 nhưng không thể rời khỏi quỹ đạo thấp gần Trái Đất.[10]

Trong quá trình xâm nhập vào bầu khí quyển sao Kim, nhiệt độ lá chắn nhiệt tăng lên đến 11.000 °C (19.800 °F) và tại một thời điểm mức giảm tốc cabin đạt 300g.[11] Việc hạ cánh kéo dài 93 phút. Thiết bị hạ cánh triển khai dù của nó ở độ cao khoảng 52 km (32 dặm), và bắt đầu gửi dữ liệu về áp suất, nhiệt độ và thành phần khí trở lại Trái Đất. Việc kiểm soát nhiệt độ giữ bên trong thiết bị ở mức -8 °C (18 °F). Nhiệt độ ở 52 km được ghi nhận là 33 °C (91 °F), và áp suất dưới 1 atm (100 kPa). Vào thời điểm cuối của quá trình rơi từ 26 km, nhiệt độ đạt đến 262 °C (504 °F) và áp lực tăng lên 22 atm (2.200 kPa), và việc truyền tín hiệu chấm dứt. Thành phần khí quyển đo được cho thấy có 90-93% carbon dioxide, 0,4-0,8% oxy, 7% nitơ và 0,1–1,6% hơi nước.