4号线安河桥北站至公益西桥站行车时间约47分钟，从安河桥北站贯通运营至大兴线天宫院站行车时间约81分钟。
截至2011年9月，4号线上行（公益西桥至安河桥北）的最小发车间隔为1分55秒，下行为2分15秒，是北京地铁系统中唯一突破2分钟间隔的线路。 4号线在平峰时的发车间隔比其他线路略小，约为4分钟，休息日最小可至3分20秒。 在工作日，4号线以大小交路的模式运营，即按一定比例开行安河桥北至新宫/公益西桥站的小交路车次；在双休日，除列车回库需要，4号线所有下行列车均以天宫院为终点站。 据京港地铁公司介绍，4号线自2009年9月28日开通半年以来，4号线客运量已达到一亿人次，日均客流已达到64.7万人次。
自2009年9月28日开通至2011年5月7日,开通还未满两年的地铁4号线客运量已突破4亿人次，日均客流近70万人次，最高日客流量达116万人次。
2013年清明假期期间（4月4日至4月6日），4号线客运量预计为391.4万人次，日均约130.5万人次，较去年同期增长36.1%，是北京地铁中较繁忙的地铁线路之一。
由于经过颐和园、动物园、西单等著名旅游景点和商业街，并且与北京南站无缝接驳，4号线在假日的客运量甚至高于工作日，在北京地铁各线路中独树一帜。逢节假日，动物园站常常因客流过大而封站。
工作日早高峰期间，4号线南段承担了来自丰台区马家堡、西罗园、南苑以及大兴区的通勤客流，以及早晨到达北京南站的火车客流。北上列车开至菜市口、陶然亭往往已经拥挤不堪，在菜市口——宣武门区间出现最大满载率。位于西单、西直门之间中心城区的车站，进出站人数有限。而4号线北段由于靠近景区，且没有传统的大规模交通枢纽，因此运力有较大富裕。
