Vrtulníky Mi-4 hrály důležitou roli v několika vnitrostátních i mezinárodních konfliktech. K vůbec prvnímu nasazení vojenských Mi-4 došlo v roce 1956 při okupaci Maďarska sovětskými vojsky. V roce 1968 se několik vrtulníků Mi-4 účastnilo také invaze vojsk Varšavské smlouvy do Československa. K prvnímu ostrému bojovému nasazení vrtulníků Mi-4 došlo v roce 1961 v indickém spolkovém státě Goa, který Indie obsadila. Vrtulníky zde svedly několik bojů proti portugalské armádě. Indická armáda využila stroje Mi-4 také v bojích proti Východnímu Pákistánu (dnes Bangladéši). K dalšímu bojovému nasazení ve světě došlo při konfliktech mezi Severním a Jižním Jemenem. Důležitou roli sehrály vrtulníky Mi-4 v barvách Egypta, Jordánska a Sýrie během šestidenní války proti Izraeli. Při obsazení Sinajského poloostrova zničily vrtulníky několik izraelských tanků, následně byla však řada strojů Mi-4 sestřelena izraelskou protileteckou obranou nebo bitevními letouny. Řada vrtulníků Mi-4 byla nasazena před invazí sovětských vojsk do Afghánistánu proti povstaleckým mudžahedínům. S příchodem modernějších vrtulníků Mil Mi-8 se však jejich úkoly postupně snižovaly. Zatímco v řadě zemí Východního bloku byly stroje Mi-4 postupně nahrazovány modernějšími vrtulníky Mi-8, dostávaly se mnohé vrtulníky Mi-4 do afrických zemí, kde sloužily u armády. Jejich bojové nasazení je známo například z Guineje-Bissau nebo v letech 1977 a 1978 bojovaly také v etiopsko-somálské válce. V roce 1961 byly vrtulníky Mi-4 nasazeny také proti americkým vojákům při invazi v zátoce Sviní na Kubě. Kromě kubánských strojů zde sloužily také sovětské vrtulníky Mi-4.