Tàu vũ trụ mang thiết bị dò chính 4 có chiều cao 3,5 mét, các tấm pin mặt trời kéo dài 4 mét và có diện tích 2,5 mét vuông. Tàu vũ trụ bao gồm một từ kế dài 2 mét, một máy dò ion, một máy dò tia vũ trụ và một máy quang phổ tia cực tím có khả năng phát hiện khí hydro và oxy. Các thiết bị được dự định hoạt động cho đến khi nhập vào bầu khí quyển cúa sao Kim. Tại thời điểm đó, tàu vũ trụ được thiết kế để giải phóng khối thiết bị thăm dò và sau đó tan rã. Phần phía sau của tàu vũ trụ chứa một bộ đẩy nhiên liệu lỏng có khả năng điều chỉnh quá trình bay. Chương trình bay được lên kế hoạch bao gồm hai lần điều chỉnh đáng kể, với mục đích mà trạm có thể nhận và thực hiện lên đến 127 lệnh khác nhau được gửi từ Trái Đất.[6]

Phần phía trước của tàu vũ trụ có chứa một thiết bị dùng để hạ cánh hình cầu gần 1 mét và có trọng lượng 383 kilôgam. So với các thiết bị thăm dò Venera (thất bại) trước đó, thiết bị hạ cánh chứa một lá chắn nhiệt được cải thiện có thể chịu được nhiệt độ lên tới 11.000 °C (19.800 °F). Thay vì thiết kế làm mát dựa trên chất lỏng trước đó, một hệ thống làm mát dùng khí đơn giản và đáng tin cậy hơn đã được lắp đặt.[2] Độ bền của thiết bị hạ cánh được kiểm tra bằng cách để nó tiếp xúc nhiệt độ cao, áp lực và gia tốc bằng cách sử dụng ba cài đặt thử nghiệm duy nhất. Khả năng chịu nhiệt được kiểm tra trong một hệ thống chân không ở nhiệt độ cao mô phỏng các tầng trên của khí quyển[7]. Thiết bị hạ cánh cũng được điều áp lên đến 25 atm. (Áp lực bề mặt trên sao Kim vẫn chưa được xác định tại thời điểm đó. Ước tính dao động từ vài atm đến hàng trăm atm)[8]. Cuối cùng, nó đã được tăng tốc lên đến 450g trong một máy ly tâm. Thử nghiệm máy ly tâm làm nứt các linh kiện điện tử và khung cáp, tất cả được thay thế ngay trước khi phóng tàu. Thời gian khởi chạy khá sít sao, để không bỏ lỡ cửa sổ khởi động — những ngày trong năm khi con đường từ Trái Đất đến sao Kim ít đòi hỏi năng lượng nhất.

Thiết bị thăm dò có thể nổi trong trường hợp hạ cánh xuống nước. Xem xét khả năng hạ cánh như vậy, các nhà thiết kế của nó đã tạo khóa của thiết bị bằng đường[6][7][9]; có nghĩa là cửa sẽ hòa tan trong nước lỏng, giải phóng các anten phát sóng. Thiết bị thăm dò chứa một hệ thống giảm xóc rung mới được phát triển và dù của nó có thể chống lại nhiệt độ lên đến 450 °C.[7]

Thiết bị thăm dò gồm có một thiết bị đo độ cao, kiểm soát nhiệt, dù và thiết bị để thực hiện các phép đo khí quyển. Thiết bị này bao gồm một nhiệt kế, phong vũ biểu, tỷ trọng kế, máy đo độ cao và một bộ công cụ phân tích khí. Dữ liệu được gửi bằng hai máy phát ở tần số 922 MHz và tốc độ 1 bit/s; các phép đo được gửi một lần mỗi 48 giây. Các máy phát được kích hoạt bởi việc triển khai dù ngay sau khi áp suất bên ngoài đạt tới 0,6 khí quyển tiêu chuẩn (61 kPa), được cho là xảy ra ở độ cao khoảng 26 km (16 dặm) trên bề mặt hành tinh. Các tín hiệu được nhận bởi nhiều trạm, bao gồm Đài thiên văn Jodrell Bank.[2][6]

Thiết bị thăm dò được trang bị một pin có thể sạc lại với công suất đủ 100 phút để cấp nguồn cho các hệ thống đo lường và máy phát. Để tránh bị dò pin trong chuyến bay đến sao Kim, pin được sạc lại bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời của tàu vũ trụ mẹ. Trước khi ra mắt, toàn bộ trạm Venera 4 đã được khử trùng để ngăn chặn sự nhiễm bẩn sinh học có thể xảy ra của sao Kim.[2]