该线于2005年12月31日投入运营形成C字形线路。2007年9月21日，全线贯通形成O字形。
该线为环线结构，无固定终点站，末班车通过宜山路站回库。截至2014年8月，该线全长33.6公里，共设26座车站，其中换乘车站17座，拥有蒲汇塘停车场，没有车辆段。
2003年7月1日凌晨，4号线董家渡至浦东南路附近建设中，越江隧道区间用于连接上、下行线的安全联络通道——旁通道工程施工作业面内，因大量的水和流沙涌入，引起隧道部分结构损坏及周边地区地面沉降，造成三栋建筑物严重倾斜，黄浦江防汛墙局部塌陷并引发管涌。事故发生后，经过全力抢险，险情得以控制。该事故直接造成至少三幢6层以上的大楼在48小时内紧急拆除，造成了超过1.5亿元的重大经济损失。
2005年10月22日，尚未启用的4号线原东方路站进行施工改造，与6号线和9号线共同建设。2006年10月28日，原东方路站改造完工，更名为世纪大道站重新开放。
2005年12月31日，C字形线路（大木桥路站—蓝村路站）形成“C”字路段通车，车站总数22座，线路总长达到27公里。虹桥路站至宝山路站的9座车站，与已运营的3号线“共线运营”。截至2014年8月，4号线26座车站中的这9座车站仍与3号线29座车站中的这9座车站“共线运营”。
2007年9月21日，董家渡站修复工程完成施工，4号线全线贯通，形成O字形，全长33.6公里。
2007年12月22日，开始环通调试。
2007年12月29日，修复段投入营业，4号线成环运行。
2008年6月1日，宜山路站、上海火车站站启用公交卡出站换乘。
2009年2月，借调给2号线的0421-0428号列车归还4号线，4号线运能恢复。
2009年10月11日，4号线成为国内首条全国“工人先锋号”地铁线路。全线车辆车头处张贴“工人先锋号”标志。
2010年12月28日，宜山路站实现与3号线、9号线的站内换乘。
2012年1月23日至28日，海伦路站因出现不均衡沉降现象封站大修。
2012年6月4日起，2/4/6/9四线换乘枢纽站世纪大道站实施新的换乘方案，部分时段内部分线路间的换乘需绕行以应对大客流。
2013年4月，上海轨道交通3号线、4号线原计划根据国家发改委公布的上海城市轨道交通建设规划调整方案，进行分线改造。
但该分线计划后因故取消，2012年申通集团向中国北车集团新订购35列列车、缩短列车间隔的规划不变。
2014年1月30日起，车厢广播增加禁食语音：“请自觉遵守乘客守则，不得在车厢内饮食。”
首末班车
（运营信息最新更新日期：2016年6月6日，可能因为运营调整而有变化）
列车
上海轨道交通4号线轨距1435mm，采用1500V直流（高架电线方式）动力电源，最高时速可达80公里/小时，运营时速为75公里/小时。该线仅有1种引车组构造：
AC05型列车
制造商：西门子公司与株洲电力机车
设计时速：80km/h
车辆编成：6节编组（Tc+Mp+M+M+Mp+Tc）
电机传动方式：VVV交流传动
车厢：铝合金车体
长宽：总长140米，宽3米
定员：340人
车辆总数：28列（编号0401-0428）
备注：0421～0428曾借调给2号线运营，编号为225～232。
站台
上海轨道交通4号线部分站台为和3号线共线的共线站台，且共线站台均为高架站台。在3/4号线共线的站台候车时，如需乘坐4号线，需乘坐紫色带"4”字样列车。
该线大部分非共线站台已安装屏蔽门，大部分共线站台未安装屏蔽门。
停车场
上海轨道交通4号线拥有1个停车场，即蒲汇塘停车场。蒲汇塘停车场位于上海市徐汇区吴中路桂林路东侧，宜山路站西南，附近有梦公园，用于4号线列车的停放和养护。
注：江杨北路车辆段位于上海江杨北路富锦路东侧，江杨北路站以东，承担4号线列车的高级养护工作。该车辆段不属于4号线，属于3号线。
上海轨道交通4号线的线路标识色为紫色。该线为环线，需注意内外圈方向。共线的站台乘车，需注意识别紫色带"4”字样。
该线同时采用由字母S和字母M变形组合成的上海地铁标志圆形的标徽，也采用了上海地铁吉祥物来自未来的小机器人畅畅。
上海轨道交通4号线由上海地铁第三运营有限公司负责运营管理。上海地铁运营有限公司隶属申通地铁集团公司，是上海城市轨道交通运营管理的骨干企业。
上海轨道交通4号线参与上海轨道交通的各种优惠票价措施，包括公交轨道联乘优惠、公共交通卡地铁乘坐满70元累积优惠、出站换乘票价连续计算。
除了单程票和上海公共交通卡以外，上海轨道交通4号线亦接收各类特殊票卡，包括一日票、三日票、纪念票、手机卡、磁浮地铁一票通。
上海轨道交通4号线是中国首条全国“工人先锋号”地铁线路。该线车辆车头处张贴“工人先锋号”标志，开始时为黄底红字，后改为红底黄字。
4号线于2014年1月31日起在车厢广播中增加了其它线路中均未出现的禁食语音，起到了很好的示范作用，保障了车厢内的文明乘车环境。
该线为环线，没有起讫站，站内广播也不播报终点站，仅播报前方站点，进场（回库）列车在宜山路站退出运营。其环线结构与上海轨道交通1号线、上海轨道交通2号线组成“申”字，构筑起上海轨道交通的基本框架，并使得在上海市中心平行通过而不交汇的多条平行线路能通过4号线进行过渡换乘，加强了各条线路的连结及换乘的便利性。
此外，该线在虹桥路站和宝山路站之间共9个站点与上海轨道交通3号线采取城市轨道交通系统不常见的的“共线营运”方式，有利有弊。虽然节约了不少投资，但同时牺牲了相互之间的运输能力，也提升了自动控制的复杂程度。共线段计划在2015年完成拆解，提升3、4号线的运营能力。