Le lanceur Vostok (8K72K) décolle le 12 août 1962 à 08h02 GMT du pas de tir n°5 de la zone n°1 du cosmodrome de Baïkonour, soit 23h32 après Vostok-3.

Il emporte sous sa coiffe le sixième vaisseau de classe 3KA - baptisé Vostok-4 - qu'il place sur une orbite 180km x 254km x 65°. L'heure précise du tir a été fixée par les paramètres orbitaux de Vostok-3.

Dès son arrivée en orbite, POPOVITCH reçoit les félicitations de son camarade NIKOLAÏEV. Il réalise lui aussi un certain nombre d'expériences, comme celle de flotter librement dans la cabine.

Le 14 août, il est décidé au sol de prolonger la mission de 24h. POPOVITCH rentrera donc le 16 août au lieu du 15. Tout se déroule en effet selon le plan de vol, et POPOVITCH ne ressent pas les symptômes du mal de l'Espace. Cela dit, il devra passer le reste de son vol dans des conditions plutôt désagréables, puisqu'une panne dans les systèmes du vaisseau a fait baisser la température jusqu'à 10°C et monter l'humidité jusqu'à 35%.

Conscients d'être écoutés par les antennes occidentales, les Soviétiques ont mis au point un code pour pouvoir communiquer en toute tranquillité. "Je me sens très bien" signifiait que la mission pouvait continuer normalement. "Je me sens bien" signifiait que le retour sur Terre était nécessaire. "J'observe des orages" signifiait que le cosmonaute ressentait le mal de l'Espace et demandait à être rapatrié le plus tôt possible.

Au cours de l'orbite n°49 (celle qui aurait dû être la dernière, avant que la mission ne soit prolongée), POPOVITCH transmet par radio "j'observe des orages". A ce moment là, il ne pense pas au code décrit ci-dessus, mais rend compte d'une réelle observation de nuages. Il se rend compte quelques instants après de son erreur, et s'empresse de transmettre "Je me sens très bien; j'observe des nuages météorologiques et des éclairs". Les ingénieurs au sol n'ont pas compris ce qui se passait réellement, et dans le doute ont préféré commander la rentrée du vaisseau.

Le moteur TDU est donc allumé en cette journée du 15 août à 06h30 GMT, soit six minutes après celui de Vostok-3, et environ 24h avant l'heure prévue suite à la prolongation de la mission. POPOVITCH atterrit sans encombres à 06h59 GMT au Kazakhstan (48,17°N, 71,85°E).