改造後の4000形は、4両固定編成が江ノ島線の各駅停車を中心に（ただし、一部小田原・箱根湯本ゆきの併結急行では相模大野で分割される形で急行でも運転されていた）、6両固定編成は全線で運用されるようになった。なお、高性能化以前は、5両固定編成と3両固定編成を組み合わせた8両編成がしばしばみられたが、高性能化以後は4両固定編成を2編成連結した8両編成で運行することは稀であった。その後は大きな車両の動きはなかったが、2003年からは3000形の増備に伴い、NHE車とともに淘汰が開始された。2004年12月のダイヤ改正前日をもって運用離脱、さよなら運転や引退式等は行なわれず、2005年1月までに全車両が廃車・解体され、現存していない。現役最後まで運用されていたのは4055F、4257Fで末期はこれら2本を繋げた10連で朝ラッシュ時の急行に半固定的に使用されていた。また、この頃の小田急はダイヤ改正に合わせて種別幕が順次新しい物に交換されていたが、当形式は廃車時期が近いこともあり、最後まで旧幕のまま運用されていた。
1966年12月以降にNHE車と並行して増備され、1970年までに22編成が導入された。4000形3両固定編成での定員は450名となり、HB車の3両編成での旅客定員が352名であったのと比較すると大幅な収容力の増強を実現した。1969年以降はABF車の1600形を種車として増備されている。1968年度に製造された車両からはブレーキ装置がAMMR-LからHSCに変更され、それまでに製造された車両についても1969年までにHSCに改造され、同時にOM-ATSの設置と先頭部連結器のCSD78形密着連結器への交換が行なわれた。1967年11月には、小田急百貨店の本館が完成したことを記念して、4001×3が白をベースとして赤と金色の帯が入る特別塗装に変更された。この特別塗装は1968年3月に標準色に戻された。登場後しばらくは単独編成で江ノ島線を中心に、相模大野以西の各駅停車に使用されていたが、2編成を連結した6両編成で高加減速を必要としない急行や準急にも使用された。
先頭車・中間車とも車体長19,500mm・全長20,000mmで、車体幅は2,900mmの全金属製車体である。正面は貫通型3枚窓で、側面客用扉は各車両とも4箇所である。基本的な車体構造はNHE車と同一となっている。1974年以降に増備された車両では、車体側面中央の客用窓上部に種別表示器用の小窓が設置されたが、機器自体は未設置である。外部塗色は、1969年6月以前に竣工した4017×3までは、ダークブルーとオレンジイエローの2色塗り塗装という当時の通勤車両の標準色であったが、1969年6月以降に竣工した4018×3以降の車両は、ケイプアイボリーをベース色として、300mm幅でロイヤルブルーの帯を窓下に入れるという通勤車両の新標準色塗装で登場した。
「きぼう」は日本初となる有人宇宙実験施設で、日本が宇宙ステーション計画への参加を決めた1985年に当時の宇宙開発事業団（NASDA、現JAXA）を中心に開発が始まり、完成した各部位はアメリカへ輸送された後、スペースシャトルで3回に分けて打ち上げられ、2009年7月19日に24年の歳月をかけ完成した。開発費用は、きぼう本体に約2,500億円、きぼうに搭載する実験装置に約450億円、地上施設開発費と宇宙飛行士訓練費とシャトルによるきぼう打ち上げ費に約2,360億円である。「きぼう」は、実験を行う「船内実験室」と「船外実験プラットフォーム」、倉庫となる「船内保管室」、船外機器などを輸送する「船外パレット」、実験装置の交換などを行う「ロボットアーム」、地上との双方向通信でデータなどをやり取りする「衛星間通信システム」の6つで構成されさており、全部位の結合時の大きさは長さ20.5m、高さ8.6m、幅8.9m、重さ約26トンになる。きぼうの部品総点数は約200万点に及ぶ。現行のIGA（宇宙基地協力協定）5条（登録・管轄権）により、日本は宇宙物体として登録した「きぼう」「HTV（こうのとり）」と日本人宇宙飛行士・宇宙旅行者等に対し管轄権及び管理の権限を有している。「きぼう」の利用に関しては、アメリカとカナダは基盤要素となる電力と居住機能（アメリカ）、ロボットアーム（カナダ）を提供しているため、「きぼう」の利用権をアメリカが46.7%、カナダが2.3%持っており、日本の利用権の割合は51%となっている（船内実験室、船外実験プラットフォーム共）。従って、日本は船内実験室の実験ラック10個と船外実験プラットフォームの実験装置10個の内、それぞれ常時5個（51%）ずつ設置でき、残りの5個はNASAが設置できる。また、日本が得ている電力・搭乗員作業時間（クルータイム、年約200時間）・地上との通信・物資輸送（打ち上げ重量約400kg、回収重量150kg）などのアメリカ側の利用用資源は12.8%で、宇宙飛行士の搭乗権配分も12.8%となっている。これらの権利の対価として、日本には「きぼう」の開発・維持・運用・運用管制などを行う責任があり、船内実験室の軌道上での検証後は共通システム運用経費（Common System Operations Costs:CSOC）の分担義務が発生するため、HTV（こうのとり）での物資輸送による現物提供を以て負担している。1985年に開発が始まった当初、「きぼう」の開発の意義・目標として「高度技術の習得」「次世代の科学や技術の促進と宇宙活動範囲の拡大」「国際協力への貢献」「宇宙環境利用の実用化の促進」の4つが示されており、本格的な運用が始まった2008年8月以降各種実験や利用により様々な成果が上がっている。日本政府は2015年12月22日に、国際宇宙ステーションが2024年まで運用が延長されるのに伴い、アメリカ政府との協議で延長に参加することで合意しており、「きぼう」も2024年まで運用を行う予定となっている。