爆撃司令部は爆撃損害評価を可能な限り早く欲しており、第542飛行中隊の指揮官は推定攻撃時刻を通知されていた。17日未明に飛行士官フランク・”ジェリー”・フレイが操縦する写真偵察型スピットファイアがベンソン空軍基地を離陸し、夜明けの直後にルール川の上空に到着。破壊されたダムと洪水の模様が撮影された。フレイは後日次のように述懐している：私がメーネダムから150マイルに達したとき、ルール地区にかかる工業排気による霞を視認できたが、それは東にかかる雲のように見えた。さらに接近したところ、雲のように見えたものは、実は洪水の水面による太陽光の反射であることが視認できた。私は3日前までは極めて平和であったが今は完全に奔流に飲み込まれた深い谷間を見下ろした。谷全体は完全に水没し、わずかに高い土地や教会の尖塔の頂部のみが洪水の水面の上にまだらに顔をのぞかせているのみであった。私はその広大さに圧倒された。—ジェリー・フレイ
マッカーシー機は単独でゾルペ・ダム上空に到着する。爆弾の投下に成功するが、ダムの破壊には失敗する。バーピー機はゾルペ・ダムへ向かったが到着できなかった。ブラウン機はさらに濃くなった霧の中で爆弾を投下するも、ダムの破壊には失敗。タウンゼント機はエンペネ・ダムに爆弾を投下したがダムの破壊には失敗。その間、同じくエンペネ・ダムに向かったオットリー機は撃墜される。
4号は、スカイラブ最後の飛行であった。ステーションに到着すると、飛行士らは船内に誰か先客がいるのに気づいた。よく見るとそれは前の3号のアラン・ビーン、ジャック・ルーズマ、オーウェン・ギャリオットらが残していった船内服を着た3体の人形で、計画の記章や名札までちゃんと身につけていた。飛行士らは全員が宇宙飛行をするのはこれが初めてであったため、作業室を起動する際、彼らの先輩たちと同じ水準の労働量で行うことは困難だった。任務はまず、彼らがポーグの宇宙酔いの初期症状を医師から隠蔽しようとしたことで、出だしからつまずいてしまった。この事実は管制官らが船内の音声の録音をダウンロードしたことで発覚した。飛行士らはまず始めに、これからの長期間の宇宙滞在で必要となる数千もの機材の積み下ろしや収納から始めなければならなかったが、この作業が膨大なものだった。またステーションの起動手順には、実行すべき多岐にわたる作業を伴う長い労働時間が必要とされ、彼らはすぐに自分たちが疲労しスケジュールに遅れていることを自覚した。スカイラブの起動作業が進むにつれ、飛行士らはあまりにも過酷な労働を強いられることに不満を述べはじめた。一方で地上の管制官らはこれには同意せず、逆に彼らの労働は時間も量も不十分だと感じていた。任務が進むにつれ彼らの不満はつのり、ある無線会議で頂点に達し、怒りを爆発させることになった。このできごとの後、作業スケジュールは修正され、任務が終了するまでに飛行士らは発射前に予定されていたものよりも多くの作業を遂行することができた。飛行士と管制官の間で起こったこのできごとは、その後の有人宇宙飛行で作業スケジュールを設定する際の貴重な経験となった。感謝祭の日に、ギブソンとポーグは6時間半に及ぶ船外活動を実行した。その前半は太陽観測装置のフィルムを交換することに費やされ、残りの時間で故障したアンテナを修理した。食事に関しては飛行士らにそれほど不満はなかったが、味がやや薄く、できればもっと調味料を増やしてほしいと報告した。彼らが使用できる塩の量は医学的な観点から制限されており、消費される食事の量や種類は厳密な体調管理のもとで入念にコントロールされていた。飛行7日目に 姿勢制御装置のジャイロスコープに異常が発生し、任務が早期に終了してしまいかねなくなる危機に陥った。スカイラブには3基の大型のジャイロスコープが搭載されていた。機体の制御や操縦はそのうちのどれか2基が機能していれば望み通りのことができるようになっており、3基目は他の2基のうちのどれかが故障した際のバックアップとして作動していた。この故障は潤滑油が不足していたことによるもので、飛行の後期に二番目のジャイロにも同様の問題が発生したが、特別な温度管理を行い負荷を減らしたことで機能を保ったため、それ以上の問題は発生しなかった。飛行士らは地球の調査研究に多くの時間を割いた。カーとポーグは交代で配置につき、観測装置を操作して地球表面の特徴から抽出されたものを計測し写真撮影した。また太陽の観測も行い、X線、遠紫外線、可視光線などによる約7万5000枚の太陽の写真を望遠鏡で新たに撮影した。ギブソンは任務終了が近づいても太陽表面の観測を続けていた。1974年1月21日、太陽表面の活動領域に輝点が形成され、急激に明るさを増し成長していった。ギブソンは直ちにこの輝点が吹き上がっていく過程の撮影を始めた。この映像は太陽フレアの発生を宇宙から記録した初めてのものとなった。12月13日、飛行士らは太陽観測装置と携帯カメラの照準を合わせ、コホーテク彗星の観測を始めた。撮影は彗星が太陽に接近するまで続けられ、遠紫外線カメラでスペクトルが収集された。12月30日、カーとギブソンは船外活動をしている際に、彗星が太陽の背後に隠れたことを確認した。飛行士らはまた、軌道上からの地球の撮影も継続した。このとき彼らは、指示では禁止されていたにもかかわらず (おそらくは偶然に) エリア51を撮影してしまった。この秘密施設の写真を公開するべきか否かについては、関係諸機関の間で若干の議論が巻き起こった。最終的には他のすべてのスカイラブに関するNASAの記録写真とともに発表されたが、数年の間この件について気づかれることはなかった。4号の飛行士らは地球を1,214周し、四回にわたる船外活動の総時間は22時間13分に達した。また84日1時間16分で、5,550万キロメートルを飛行した。飛行士らは3人とも1960年代半ばにアポロ計画の飛行士としてNASAに採用され、ポーグとカーは飛行が中止になったアポロ19号の乗員候補だった。4号の乗員らはこの後のアポロ・ソユーズテスト計画の飛行士には選ばれず、またスペースシャトル初号機が発射される前にNASAを退官したため、結局誰も再度宇宙に行くことはなかった。科学者の宇宙飛行士として訓練を積んだギブソンは、カリフォルニア州ロサンゼルスのエアロスペース社 (Aerospace Corp.) の主任研究員の科学者としてスカイラブで得られた宇宙空間物理学のデータを解析するため、1974年12月にNASAを退官した。