2004年8月，北京捷运4号线正式开工建设，总投资153.8亿元。12月，香港捷运公司与北京市基础设施投资有限公司、北京首都创业集团有限公司签署了北京捷运4号线投资、建设、运营合作的原则性协定。

2006年1月16日，北京市政府规划为从北京捷运4号线一期的终点安河桥北站向北延伸百望山站、西北旺站、航天城西站、永丰站四站，直达中关村永丰科技园。

2008年10月28日，北京捷运4号线首批列车抵达北京。

2009年2月10日，北京捷运4号线隧道全线贯通。4月29日，北京捷运4号线全线实现电通。5月31日，北京捷运4号线开始车辆全线贯通测试。6月20日，北京捷运4号线进行空载试运行，标誌着全线已经具备通车条件。8月31日，开展试乘活动；9月27日，北京捷运4号线指引路牌安装完毕。9月28日14时30分，北京捷运4号线较预期提前半小时向公众开放载客运营。

2010年1月，海淀区西北方向的的客流则由北京捷运16号线接纳。12月30日，北京捷运4号线大兴线开通试运营，与北京捷运4号线直接贯通运营，贯通后全线车站达到35个，全长50千米。

2015年2月7日，香港捷运公司与北京市基础设施投资有限公司、北京首都创业集团有限公司与北京市政府和北京市轨道交通建设管理有限公司草签了北京捷运4号线的特许经营协定和项目管理协定。

2018年11月7日，北京捷运4号线宣武门站新增换乘通道工程开工。

北京捷运4号线呈南北方向，穿越了人口密集的丰台、西城、海淀三个行政区，沿途经过大型居民生活区、学术文化浓厚的科教区（清华、北大、人大等）、有“中国硅谷”之称的高科技园区（学院南路-中关村）、繁华的商业区（新街口-西单-菜市口）、旅游名胜区或风景点（颐和园、圆明园、动物园、陶然亭公园等）及居民区。

北京捷运4号线线路示意图

2010年3月27日，北京捷运4号线开通半年，客运量已达到一亿人次，日均客流已达到64.7万人次。

2009年9月28日至2011年5月7日，北京捷运4号线客运量突破4亿人次，日均客流近70万人次，最高日客流量达116万人次。

北京捷运4号线车辆採用北京捷运SFM05型电动车组车型，由南车四方机车车辆股份有限公司生产。全车为无涂装不鏽钢车身，属B型车。为6B编组，总定员1440人。列车採用直流750V第三轨供电，设计最高速度每小时80千米。截至2016年5月，北京捷运4号线和北京捷运大兴线共有该型车辆93列（558辆）。

列车的车体和车窗形状有港铁特色，车门採用外挂门设计，是北京捷运中的首例。车头正中心标记了京港捷运的标誌，在逃生门上则印有“北京”字样。在大兴线开通时后加入的车组的车头则只有北京字样，而没有京港捷运标誌和标誌旁边的蓝绿色带。

2009年9月末，北京捷运4号线开线之初，京港捷运推出了“祖国你好”大型公益项目。京港捷运与华夏地理杂誌社合作拍摄了200幅不同民族、不同地域、不同职业的纪实人物影像，并动用1000余块站内灯箱、隧道动画媒体、轨旁PDP电子屏、站台电子动画屏等媒介进行展览。同时，京港捷运为两列车组套用了国庆特别外部涂装，以增强节日氛围；10月，海淀黄庄站换乘通道的墙壁上张贴了多幅京港捷运精心挑选的国庆节主题儿童画，表达孩子们在独特的绘画中对祖国的祝福，与“祖国你好”摄影展相呼应；同月，京港捷运与北京“二月书坊”文化传播有限公司合作推出“4号美术馆”公益项目。项目推出时，京港捷运在两列车组以及北京南站、西单、中关村等十个大客流车站的直梯间内悬挂季大纯、陈淑霞等6位艺术家的28幅画作。

国庆特别涂装列车

2010年1月，西直门站虎年春节的涂鸦创作由京城高校学生绘製。涂鸦创作以“虎年来了”“五虎跃新春”等贺年文字为涂鸦要素，填充五贴画虎形画面，为乘客带来传统生肖文化与现代艺术形式结合的艺术创作。作品在北京捷运4号线展出约6个月的时间；2月，公益西桥站、北大东门站、北宫门站、圆明园站、菜市口站的站厅层也开闢了4号美术馆的展区，每个展览区都悬挂了十余幅艺术作品；5月，北京捷运4号线上推出公益项目——“4号诗歌坊”。主题列车以“爱情”为主题的10首诗歌登上编号为012和039的两列捷运客车，为乘客营造出充满文学气息的捷运旅程。诗歌的作者包括徐志摩、戴望舒、洛夫、白桦等现当代颇有影响力的诗人。国外的诗歌名篇也有望登上捷运舞台，为乘客提供更为丰富的车旅体验。

北京捷运4号线的线路标识色为青绿色。

宣武门站是北京捷运2号线与北京捷运4号线的换乘站。北京捷运2号线宣武门站于1971年1月开始运营；2009年，北京捷运4号线开通运营后，宣武门站由一般车站升级为换乘车站，车站原先在土建设施的设计标準、客流需求预测等方面，与新线存在较大差距，早晚尖峰时段北京捷运4号线换乘北京捷运2号线、晚尖峰时段北京捷运2号线换乘北京捷运4号线客流压力大，换乘通道狭窄，客流拥挤，存在安全隐患。为了缩短工程前期準备时间，北京市规土委、市园林局等单位在保证规划实施条件，保护绿地减少树木伐移的前提下，加快审批手续办理。预计2021年8月完工并投入运营。

北京捷运4号线是北京市又一条贯穿南北的重要交通干线，对于带动区域发展，缓解中心城区的交通拥堵，方便居民出行有着重要作用。（华夏经纬网 评）

北京捷运4号线是本市公共运输优先发展战略及“人文交通、科技交通、绿色交通”理念的集中体现。至2015年，北京共有2700亿元人民币投入到支持最佳化公共运输及轨道交通的发展中，“三环、四横、五纵、七放射”、总长561公里的轨道交通网建成，市民乘公交出行的比例将提高到45%以上。（《北京日报》 评）