广州地铁4号线是广州地铁营运的路线之一，属于通勤铁路。车厢与电气化按城市轨道交通方式，采用第三轨供电，最高营运速度为90km/h。大致呈南北走向，全线除新造站（包含）以北，飞沙角站（包含）以南段外，其余路段位于高架桥上。代表色为绿色。全长56.25公里。亦是南沙区目前唯一的轨道交通路线。车厢编制为四节。
4号线是中国首条使用直线电机技术和世界首条采用混合供电的轨道交通路线。
目前4号线起始于天河区广东奥林匹克中心附近的黄村站，沿大观路南行，转入中山大道再转入车陂路，然后过江至海珠区东部，再往东南方向进入番禺区，下穿广州大学城及沥滘水道，在新造车辆段东南方伸出地面上高架桥，再与广澳高速公路东段平行，跨过番禺东部大片农田。然后再掠过沙湾水道东段进入南沙区，沿市南大道行走，再转入凤凰大道继续往南，之后转入双山大道往东。随后线路由高架转入地下隧道，由双山大道转向南沿金隆路行进，路线向南跨越虎门高速，再转向东南，沿环市大道西至塘坑站之后再转向东，沿环市大道南行进。之后再转向东北，沿海港大道行进，在科技大道与港前大道交叉口东侧设置终点站南沙客运港站。
由于四号线大部分路段位于高架桥上，同时跨越大片农田和绿地，故四号线拥有非常优良的观景条件。
目前4号线使用新造车辆段以及南沙停车场。
最早于1997年规划中，已经出现了现有四号线北段的雏型。当时此线为方案A中5号线的一条支线，从琶洲分岔出来，沿车陂路往北到世界大观东南侧。
2000年方案中，该段支线被独立出来，北段进一步延伸到科学城内，在万胜围站与旧2号线换乘，南端因应番禺撤市建区，得以延长至新造镇。现有4号线北段初步定型。
然后于2003年方案中，4号线北段从沿车陂路改为先行走一小段中山大道再转入大观路；南端得以沿京珠高速继续延长，在规划广州新城附近转弯，东进至海鸥岛。北段亦从科学城延伸，沿开创大道抵达萝岗中心区。而当时的3号线在到达广州新城后，也沿京珠高速继续向南，到达南沙。后来2003年方案局部修改，3号线和4号线交换广州新城（现海傍站）以南及以东的路段，4号线确定向南进入南沙。其后萝岗区选择直接通往广州市区的6号线来连接萝岗中心区，4号线改为从科学城往北延伸抵达水西，4号线全线走向基本得以定型。
后来于2010年年末，4号线规划中的黄村以北段被单独裁剪出来，独立成为21号线。
而4号线金洲以东一段原本经由进港大道至港前大道前往南沙客运港，后于2012年国家发改委批复的正式方案中改为沿环市大道南行走，以服务南沙旧镇市民。原本进港大道至港前大道一段线位则让予规划中的南沙环线（15号线）。
2003年1月28日，2号线调整工程琶洲塔站（现8号线万胜围站）开工，标志着2号线调整工程及4号线试验段正式开工。2004年8月13日，新造主体结构封顶。2005年1月11日，大学城专线小谷围站（现大学城南站）封顶。
2005年，4号线首期（奥体中心至新造）的工程可行性研究报告获得国家发改委批复。同年12月26日，四号线首期以大学城专线（万胜围站至新造站）的名义与2号线调整工程：琶洲至万胜围段及三号线首通段一同投入服务。此时只能在万胜围站换乘至4号线，通车初期由于列车不足，列车班次极其疏落，达到32分钟一班，每个4号线车站都贴有列车时刻表。
而到2006年，4号线二期（新造至冲尾）的工程可行性研究报告亦获得批复。2006年8月16日，4号线新造—黄阁段区间8标高架桥合龙，成为4号线高架段首段合龙的高架桥，以及首段采用拼接法建造的高架桥。2006年11月18日，新造至黄阁段长轨，于低涌站完成焊接，标志着四号线长轨正式铺通。2006年12月4日，黄阁变电所成功受电，标志着四号线二期全线电通。12月20日，四号线大学城专线段暂停服务9天，进行熟悉路线及开通前的营运演练。2006年12月30日，4号线恢复服务，同时从新造延长至黄阁。新造至黄阁段也是广州地铁的第一段高架线路。
2007年5月8日，四号线因应线路延长至金洲，再次暂停服务长达50天，进行全线联合调试。2007年6月28日，4号线恢复服务，延长至金洲站，同时增设蕉门站。至此4号线二期路段全线通车。
2007年4月26日，车陂南~万胜围区间（以下简称“车万区间”）隧道继3月18日右线贯通后，盾构区间左线盾构机抵达车陂南站，该段区间正式双线贯通。2009年3月22日，车万区间铺轨完成，为5号线列车转场至鱼珠车辆段提供了必要的通道。2009年12月28日，五号线通车投入服务当天，四号线亦北延一站，过江至天河区到达车陂南站与五号线换乘。
2009年3月26日，4号线信号系统实现全功能开通，能为列车提供自动驾驶（ATO）功能。
2010年9月25日，四号线北延段（车陂南至黄村）与拆解后的新二号线和八号线投入服务，亦宣告黄村站到金洲站的四号线首期和二期线路全线通车，同时四号线也将位于黄村的亚运主场馆广东奥林匹克体育中心和位于海傍的广州亚运城链接起来，成为亚运专线，为亚运会提供快速的交通通道。
2015年5月9日起，4号线实施长短线运营模式。同日往金洲的末班车将延迟至23：15分从黄村站开出，取代该时段内原来往新造的短途班次列车。
2012年7月，四号线南延段获国家发展改革委正式批复。
2013年8月16日，国家环保总局批复四号线南延段环境影响报告书。同年11月5日，南延段工程正式开工建造。
2015年1月26日，资讯园站（南横站）主体结构封顶，成为第一个主体结构封顶的南延段车站；2015年8月27日，金隆（飞沙角）至广隆区间右线盾构隧道顺利贯通，为南延段工程首段隧道贯通。
2016年7月28日，南沙客运港站主体结构封顶，标志着四号线南延段全线车站完成主体结构工程。9月30日，塘坑-南横站左线盾构隧道完工，标志着四号线南延段全线隧道贯通。
2017年3月30日，南延段全线路轨贯通。5月11日，南延段全线送电成功，标志四号线南延段建造已进入尾声。南延段全部车站及轨行区已于7月28日从建造事业总部陆续将属地管理权、调度指挥权、设备操作维护使用权移交给运营事业总部，随即于29日进入运营调试阶段。从10月11日开始全线进行运营时刻表演练，首期路段（黄村-金洲）保持目前运营服务水平，南延段（金洲-南沙客运港）不载客运行。
2017年12月28日，广州地铁4号线南延段及庆盛站开通运营。
四号线全长56.25公里，是广州地铁全线都在建成时就安装了半高式安全门的地铁路线之一。
全线共设23座车站，其中金洲至石碁这九站为高架车站；新造至黄村及南延段这十四站为地下车站，同时亦预留了一个高架车站官桥站。
高架站海傍站东边曾是第十六届亚洲运动会的选手村。
新造车辆段位于新造站与石碁站之间，兴业大道旁，进出岔口在新造站和官桥站路线之间，四号线的车辆维护与停放基地，同时也是四号线控制中心所在地，亦是广州地铁首个L型列车车辆段。车辆段面积16.5公顷，绿化率达50%。4号线的控制中心亦设置于车辆段内。
由于4号线在正线使用第三轨供电，在车辆段使用接触网供电，因此有别于普通路线地在车辆段入口会有一段同时存在接触网和第三轨的轨道供列车转换。此外车辆段内的试车线也同时布置有接触网和第三轨。
鉴于当时广州地铁的线网内既有A、B型车路线没有与L型车路线连接的联络线，从国铁路线运送至西朗车辆段的新购列车只能解编后通过平板车转运，因此车辆段内亦有一段既无接触网亦无第三轨的轨道，用于装卸由平板车运输的车厢。
南沙停车场位于金洲站与广隆站之间，南沙区金隆路西侧、虎门高速公路北侧废弃采石场内，进出岔口在金洲站和飞沙角站及广隆站和飞沙角站路线之间，四号线的车辆维护与停放基地，停车场面积16.7公顷。
该停车场设置于地面，将会建设停车场上盖项目。
四号线从2015年5月9日起实施长短线（大小交路）的运行模式。现时每天在黄村至新造区段加开短线车（小交路），黄村至南沙客运港则为长线（大交路）。
工作日早高峰时段按照1+1的安排，长线车和短线车交替开出。即采取以下安排（以下行为例）：
而工作日晚高峰时段及中峰期，以及节假日高峰及中峰期，则按照2+1的安排，即每两班长线车开出后，第三班列车为短线车。三班列车采取以下安排（以上行为例）：
低峰期则主要以黄村至南沙客运港的长线车运行。晚低峰收车前因部分列车需要返回新造车辆段，这些列车会行走黄村至新造短线，抵达新造站后随即返回新造车辆段。
现时四号线所有列车在报站前均会提醒乘客列车即将开往哪个方向，全线车站站台显示屏均有显示接下来三班列车的尽头站和到达时间。
4号线串联起广东奥林匹克体育中心、广州大学城、亚运城、南沙区以及天河区几个城中村和番禺区东部各镇街，更是大学城来往外界的生命线、以及南沙区连接广州市区的唯一地铁通道。天河区、黄埔区、番禺区以及南沙区亦有不少的公交线路连接至4号线沿线各车站，提供车站到区内各镇街的接驳。
现时4号线已经成为广州东部重要的南北向交通动脉，虽然日均客流仅30多万人次，但大部分集中于北段（黄村至新造）长约15公里的路段，4号线现时仅有的四个换乘站亦全数集中在北段；4号线采用的4节L型车编组，列车运力仅及2号线6节A型车编组的约50%。因此北段列车载客率全天维持在较高水平，早晚高峰期更会非常挤逼。同时与5号线、8号线两条市区线交汇的车陂南站和万胜围站站台空间不足，两站在早晚高峰期更会水泄不通，尤以换乘5号线的车陂南站为甚，甚至需要连同车陂站一同配合实施客流控制。南段（新造至南沙客运港）的客流则主要集中于来往南沙区中心城区的蕉门和金洲两站，以及亚运城附近的海傍站和接驳番禺区石碁镇和石楼镇的石碁站。其余车站则客流偏低，低涌站近年更曾录得日均只有224人次进出站，非高峰期车站甚至无人上落，非常冷清。南延段各站则因开通时间尚短及沿线周边发展原因，客流水平偏低。南北两段客流严重不均，也促使4号线在2015年实施长短线运行模式，满足北段的客流需求和以求提高南段的列车载客率。
4号线自通车日起全数使用南车四方制造的广州地铁04型城轨列车行走，VVVF交流直线电机传动，在正线运营时采用第三轨供电，车辆段内则采用接触网受流。设计时速100公里每小时，最高运行时速90公里每小时。
该列车共分为2批，其中自通车伊始就开始使用的列车为L1型列车，定型编号为：04x001-04x002~04x059-04x060。在2017年8月开始投入使用的列车为L5型列车，定型编号为：04x061-04x062~04x113-04x114，合共57列列车。
这两批列车由于投入营运时间不同，列车亦有区别，详细区别请参见列车栏目。
为适应4号线实施大小交路以及未来线路延长等运营需求，本线L1型列车已在2014到2015年期间陆续把闪灯线路图改造为LED走字屏。
2011年10月28日，由于异物进入轨行区使受电靴与第三轨支架碰撞损坏第三轨引起供电保护，万胜围—大学城南区间断电。4号线采取应急预案，黄村—车陂南、大学城南—金洲小交路运行，车陂南—大学城南上行单线双向摆渡运行，后经调查异物实为列车底部松脱的蓄电池箱盖板。
2015年3月22日15时55分，新造站发生信号联锁系统故障，在故障期间地铁运营维持10至15分钟的行车间隔，直至16:24恢复正常。
四号线建造时，在新造站和石碁站之间预留了一个官桥站。建造时官方称目前未有建站条件，故作出预留方便以后增设这个车站。在预留车站的位置上仅设置有信号系统所需设备，在路轨旁做好预备方便以后建站时进行土建工程同时又不影响四号线正常运营。官桥站预计将会连接佛莞城际轨道的同名车站以提供换乘。
近期随着官桥站周边清华科技园广州创新基地、高峰山森林公园、现代产业园广汽汽车研发生产基地等项目开工兴建，周边规划对于地铁车站的需求日益迫切。官桥站的兴建，将加快启动周边地区的土地开发，进一步增强四号线促进广州市“南拓轴”沿线地区发展的作用，有利于沟通城市轨道交通网、外围城际轨道交通线及各种常规交通间的客流，提高交通方便可达性，发挥交通网络优势。2014年3月4日，《广州市轨道交通四号线官桥站工程可行性研究报告》通过了广州市发改委委托广州市国际工程咨询公司组织召开的技术评估会。
在2010年前的规划当中，4号线北端亦会从黄村站一直向北延伸到萝岗中心区及科学城腹地，预定在暹岗（现苏元站）与6号线换乘，一直到达水西，但该段在规划调整中被单独截出，并且从两端分别南延，东延，成为21号线。换言之该计划已被取消。
由于4号线延长至科学城的计划已被取消，同时针对天河区东北部的“智慧城”因交通不便导致人才流失的情况，天河区区长曾公开呼吁把4号线北延至智慧城，一旦该方案得到确定，4号线将直接往北延长，穿过智慧城腹地，亦有望接驳上6号线二期的高塘石站。但在2012年8月13日的21号线第二系环评增加了天河智慧城站，以此回应天河区的要求。不过该车站位于小新塘村和凌塘村（规划天河软件园）附近，对智慧城核心区的覆盖面相当有限。因而智慧城在未来得到进一步发展后，该计划仍有实施的需求。
