Z powodu niewielkiej liczby wyprodukowanych pojazdów IS-4 znalazły się na wyposażeniu tylko niektórych wybranych pułków czołgów ciężkich Armii Radzieckiej. Nigdy nie uczestniczyły w walkach. Brały udział w wielkich manewrach głównie na poligonie Kapustin Jar, gdzie badano w warunkach nie pozorowanych wpływ broni atomowej na żołnierzy i pojazdy. Niektóre z pułków znalazły się na wyposażeniu Zabajkalskiego Okręgu Wojskowego oraz Dalekowschodniego Okręgu Wojskowego. Po wybuchu wojny w Korei jednostki te postawiono w stan pogotowia bojowego, ale nie doszło do ich użycia. Stosunkowo szybko wycofano IS-4 z jednostek pierwszoliniowych. Czołg pod względem uzbrojenia nie przewyższał IS-3, a jego cena jednostkowa była trzy razy większa. W czasie eksploatacji natrafiono też na trudności wynikające z wymiarów i masy pojazdów. Duże wymiary utrudniały załadunek i transport koleją. Masa powodowała duże problemy w czasie marszu, gdyż przeciętne mosty nie wytrzymywały ciężaru wozu. IS-4 w porównaniu z czołgiem IS-3 był konstrukcją, która nie spełniła oczekiwań radzieckiego dowództwa, był ciężki, ważył aż 60 ton (IS-3 ważył 45,8-46,5), a jego pancerz przedni był ukształtowany w sposób tradycyjny w porównaniu z nowatorskim "nosem szczupaka" IS-3. IS-4 mimo dużo większej masy posiadał taką samą siłę ognia co IS-2 i IS-3, gdyż wszystkie te pojazdy wyposażono w tę samą armatę – D-25Т. Po wycofaniu pojazdów z pierwszej linii nadal wykorzystywano je wśród oddziałów na Syberii szczególnie jako wkopane w ziemie nieruchome punkty ogniowe wzdłuż granicy z Chinami.