Корабль «Союз-4» стартовал 14 января1969 года. На следующий день, 15 января, с космодрома Байконурстартовал следующий пилотируемый корабль — «Союз-5», на борту которого находились трое космонавтов. 16 января в 08:20 UTC корабли «Союз-4» и «Союз-5» состыковались. Это была первая стыковка двух пилотируемых кораблей. Во время стыковки, активным кораблем был «Союз-4»,стыковочный узел которого был оборудован штырем, стыковочный узел «Союза-5» был оборудован конусом. На 35-м витке космонавты Хрунов и Елисеев вышли в открытый космос из корабля «Союз-5» и перешли в корабль «Союз-4». Этот переход был элементом подготовки к предполагаемому полёту на Луну. После стыковки, агентство ТАССобъявило, что впервые на орбите создана экспериментальная космическая станция с четырьмя космонавтами на борту. Советское телевидение транслировало переход космонавтов Хрунова и Елисеева вживую. Космонавты Хрунов и Елисеев использовалискафандры «Ястреб», командир корабля Борис Волынов помогал им облачаться в скафандры, проверял системы жизнеобеспечения и коммуникаций скафандров. Затем Волынов вернулся в спускаемый отсек и закрыл люк между орбитальным и спускаемым отсеками корабля. В то время корабль «Союз» не имел переходного люка в верхней части орбитального отсека. Во время перехода, орбитальный отсек «Союза» использовался в качестве шлюзовой камеры. После разгерметизации орбитального отсека, первым в открытый космос вышел Евгений Хрунов. В это время состыкованные корабли находились над Южной Америкой и не имели радиоконтакта с центром управления в СССР. Выход Елисеева происходил уже над территорией СССР и поддерживался радиоконтакт с Землёй. Елисеев закрыл за собой люк орбитального отсека «Союза-5». Хрунов и Елисеев перешли в орбитальный отсек корабля «Союз-4». Орбитальный отсек корабля «Союз-4» был наполнен воздухом, командир «Союза-4» Владимир Шаталов помог космонавтам Хрунову и Елисееву снять скафандры. Хрунов и Елисеев передали Шаталову письма, телеграммы и газеты, которые вышли уже после старта Шаталова в космос.

Корабли «Союз-4» и «Союз-5» находились в состыкованном состоянии 4 часа 35 минут.

«Союз-4» приземлился 17 января в 40 км юго-западнее Караганды, в 48-и километрах от расчётной точки приземления. На месте приземления температура была около −30°, высота снежного покрова — 60-80 сантиметров. Поисковый вертолёт обнаружил спускаемый аппарат через 5 минут после приземления.