Маринер-4 пролетал около
Марса 14-15 июля 1965 года. 14 июля в 15:41:49
UTC Маринер-4 был переключен в режим планетарного исследования. Телекамера начала свою работу в 00:18:36
UTC 15 июля, получены 21 полный снимок и частично 22 снимок (21 строка). Снимки делались через красный или зелёный фильтры, причем пары их перекрывались, чтобы получить больше информации об окраске поверхности. Число элементов изображения составляло 200×200, число уровней яркости — 64 (240000 битов, 200 строк по 200 пикселей, 6 битов на пиксель). Снимки располагались на поверхности Марса по узкой прерывистой дуге. Дуга начиналась от 40° с. ш., 170° в. д., пересекала экватор, проходила вблизи 35° ю. ш., 200° в. д. и пересекала терминатор на 50° ю. ш., 255° в. д. На снимках записано около 1% от всей поверхности планеты. На первом снимке виден яркий лимб (край) Марса, снимок 19 захватывает вечерний терминатор, а последние три, т.е. 20,21,22, приходятся на неосвещённые области. Сделанные снимки хранились на бортовом
магнитофоне. Снимки были получены при разных дальностях, причем минимальная составляла 11800 км. 15 июля в 1:00:57
UTC аппарат пролетел от Марса на расстоянии 9846 км. В 2:19:11 UTC Маринер-4 оказался за Марсом, сигнал от аппарата прекратился. В 3:13:04 UTC сигнал от аппарата возобновился. После пролёта около Марса Маринер-4 был переключен в режим полета по межпланетной траектории. Передача изображений на Землю началась через 8,5 часов после возобновления сигнала, и продолжалась до 3 августа. Передача одного снимка со скоростью 8,33 бит/сек занимала 8,66 часа. Все снимки были переданы два раза, чтобы обеспечить отсутствие пропущенных или повреждённых данных. Передача снимков проходила с расстояния более 216 млн км.
Маринер-4 успешно выполнил большинство запланированных исследований Марса.