En 2008, le parcours complet de la ligne demande environ 29 mn dans le sens nord-sud et 28 mn dans l'autre sens, aux heures creuses. Comme sur toutes les principales lignes du métro de Paris, le premier départ a lieu de la tête de ligne à 5 h 30. Mais une première circulation a lieu dans le sens nord-sud au départ de Gare du Nord à 5 h 33 précédant de trois minutes la rame partie de Porte de Clignancourt à 5 h 30 ; de même, une première circulation a lieu dans le sens sud-nord au départ de Montparnasse - Bienvenüe à 5 h 33 également précédant de quatre minutes la rame partie de Porte d'Orléans à 5 h 30.
Le dernier départ a lieu à 0 h 47 en direction de Porte d'Orléans, à 0 h 47 en direction de Porte de Clignancourt et à 1 h 47 dans les deux sens les nuits des vendredis aux samedis, des samedis aux dimanches et des veilles de fête aux jours de fête. L'intervalle moyen entre les rames est de deux à quatre minutes en journée, de cinq à sept minutes en extrême soirée, de six à huit minutes le dimanche matin et de dix minutes les nuits des vendredis aux samedis, des samedis aux dimanches et des veilles de fête aux jours de fête après 0 h 30 (après 1 h 15 les nuits des vendredis aux samedis).
Vers 1930, la ligne 4 est équipée du matériel M4 dit « Sprague ». Ils ne sont remplacés qu'à la transformation de la ligne pour l'accueil du métro sur pneus, après avoir parcouru plus de trois millions de kilomètres.
Le remplacement se fait progressivement entre octobre 1966 et juillet 1967 par des trains MP 59. Lors de l'arrivée en 1997 des MP 89 sur la ligne 1, les MP 59 de la ligne 1 sont transférés sur la ligne 4, les MP 59 de la 4 étant transférés, quant à eux, sur la ligne 11, ce qui a eu pour conséquence de faire disparaître les derniers MP 55 de la ligne 11 fin 1998, début 1999 pour le dernier. Les rames MP 59 de la ligne 4 sont composées de six voitures (M-N-A-B-N-M). Le parc de la ligne est composé de quarante-sept rames en 2010.
L'automatisation progressive de la ligne 1 à partir de 2011 étant accompagnée d'un nouveau matériel roulant, le MP 05, les MP 89 de cette ligne seront progressivement affectés à la ligne 4, et les anciens MP 59 seront très probablement mis au rebut, seuls quelques éléments en meilleur état iront renforcer la ligne 11.
Suite à la mise en service de la ligne 14 en 1998, la RATP projetait l'automatisation de la conduite des lignes 1, 4, 6, 7, 9 et 13 à l'horizon 2050. Après la ligne 1, l'automatisation de la ligne 4 fut à l'étude mais, à cause des coûts d'automatisation, est pour le moment abandonnée.
On distingue deux catégories de personnel : les agents en station et les agents de conduite. Les agents de station ont pour mission de tenir la caisse, d'assurer le contrôle des voyageurs ainsi que la gestion des lieux, la vérification des installations ou d'autres tâches à définir selon les besoins du service. Quelques agents sont par ailleurs détachés pour la durée du service afin d'assurer les relèves de caisses. Les conducteurs assurent la marche des rames. Le service est assuré sur trois roulements de travail (jour, mixte, nuit).
La tarification de la ligne est identique à celle en vigueur sur tout le reste du réseau et accessible avec les mêmes abonnements. Un ticket t+ permet un trajet simple quelle que soit la distance avec une ou plusieurs correspondances possibles avec les autres lignes de métro ainsi que le RER, mais uniquement dans Paris intra-muros pour ce dernier.
Le financement du fonctionnement de la ligne (entretien, matériel et charges de personnel) est assuré par la RATP. Cependant, les tarifs des billets et abonnements dont le montant est limité par décision politique ne couvrent pas les frais réels de transport. Le manque à gagner est compensé par l'autorité organisatrice, le Syndicat des transports d'Île-de-France (STIF), présidé depuis 2005 par le président du conseil régional d'Île-de-France et composé d'élus locaux. Il définit les conditions générales d'exploitation ainsi que la durée et la fréquence des services. L'équilibre financier du fonctionnement est assuré par une dotation globale annuelle aux transporteurs de la région grâce au versement transport payé par les entreprises et aux contributions des collectivités publiques.
La ligne 4 a été un temps la ligne la plus chargée du réseau parisien, jusqu'à ce que la ligne 1 la dépasse à partir de 1997. De 1992 à 2004, le trafic est en augmentation de 3,7 %, ce qui ne place la ligne qu'en neuvième position en termes de croissance sur le réseau (hors ligne 14). Cette faible croissance s'explique, pour la ligne 4 elle-même ou globalement pour le réseau du métro, en partie par d'importants reculs de fréquentation lors des mises en service du RER B à Saint-Michel - Notre-Dame en 1988, du RER D en 1995 ainsi que du RER E en 1999.
Année | 1992 | 1993 | 1994 | 1995 | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 |
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Nombre de voyageurs | 148,6 | 142,2 | 140,2 | 122,5 | 133,5 | 130,9 | 135,7 | 135,1 | 131,9 | 139,8 | 134,9 | 138,1 | 154,1 |
Les stations les plus fréquentées desservies par la ligne sont par ordre décroissant (en trafic annuel, toutes lignes incluses) : Gare du Nord (36,49 millions de voyageurs), Montparnasse - Bienvenüe (29,46 millions), Gare de l'Est (15,66 millions), Châtelet (12,84 millions), Les Halles (12,63 millions), Barbès — Rochechouart (9,14 millions), Strasbourg — Saint-Denis (8,76 millions). En 1998, le trafic quotidien atteint 463 974 voyageurs en moyenne chaque jour ouvrable, 361 313 le samedi et 209 955 le dimanche.