Nach dem Mißerfolg mit Pioneer III begannen die Teams von ABMA (Rakete) und JPL (Nutzlast) rasch mit den Vorbereitungen zum Start einer weiteren Sonde zum Mond. Glücklicherweise hatte man insgesamt drei Exemplare der winzigen Sonde gebaut, von denen nun ein weiteres startklar gemacht wurde. Nach den Erfahrungen aus dem Start der Juno II AM-​11  wurden einige Modifikationen an der AM-​14  Rakete vorgenommen. Als Starttermin wählte man den 01.03.1959 (28.02.1959 gegen 21:00 Uhr Ortszeit). Schlechte Wetterbedingungen sorgten frühzeitig für einen eintägigen Aufschub. Doch auch der zweite Countdown mußte abgebrochen werden. Kleinere technische Probleme konnten zwar behoben werden, als man jedoch einen (auf eine fehlerhafte Verkabelung zurückzuführenden) Kurzschluß registrierte und schließlich die verschmorten Kabel im Bereich der letzten Stufe fand, mußte die beschädigte Nutzlast gegen das Reserveexemplar ausgetauscht werden. Nach ihrem geglückten Start im dritten Anlauf am 03.03.1959 wurde Pioneer IV zur ersten, wenigstens teilweise erfolgreichen, US-​Mondsonde. Zwar lagen Brennschlußgeschwindigkeit und Kurs der Juno II etwas neben den projektierten Werten, die wissenschaftliche Ausbeute von Pioneer IV war jedoch erfreulich (die Grenze der äußeren Strahlungsgürtel der Erde verschob sich nach den Messungen von Pioneer von rund 13.000 km auf mehr als 88.500 km) und vor allem propagandistisch war die Mission der lang ersehnte Durchbruch. Die Mondpassage und Messungen erfolgten in einem minimalen Abstand von 59.983 km am 04.03.1959 um 10:25 UTC. Wegen einer geringen Abweichung in der Brenndauer der gebündelten Feststofftriebwerke, die die zweite Stufe der Rakete bildeten, fiel der Abstand allerdings fast doppelt so groß aus als geplant (32.000 km). Diese Bahnabweichung war wohl auch der Grund dafür war, daß keine Bilder vom Vorbeiflug übertragen wurden. Bei dem großen Abstand konnte der photoelektrische Sensor den Bildscanner nicht aktivieren. Irrtümlich war das hingegen geschehen, als die Erde ins Blickfeld des Scanners geriet. Obwohl Telemetriedaten darauf hindeuteten, daß der Bildscanner tatsächlich aktiviert worden war, lieferte dieses Experiment keine verwertbaren Daten. Auch wenn sich die Wissenschaftler begeistert über die Strahlungsmeßwerte äußerten, war damit jedenfalls die öffentlichkeitswirksame Möglichkeit vertan, die ersten Nahaufnahmen des Mondes zu gewinnen. Eine Chance, die sich die Sowjetunion sieben Monate später nicht entgehen ließ. Wobei schon die Qualität der Aufnahmen von Luna 3 sehr bescheiden war. Doch das simple Equipment von Pioneer IV hätte mit Sicherheit bestenfalls ein Bild geliefert, auf dem einige Schatten auszumachen gewesen wären. Die letzten Funksignale der Sonde konnten 82 Stunden nach dem Start aus etwa 655.000 km Entfernung empfangen werden, ein neuer Rekord.
Mit diesem Flug endete vorläufig das Pioneer Programm und auch die erste Phase des US-​Mondprogramms. Rückblickend waren die Missionen weitgehend erfolglos. Und auch der kurzzeitige gefühlte Gleichstand mit der Sowjetunion in dieser frühen Phase des Wettlaufs zum Mond ging verloren, als im September 1959 Luna 2 auf dem Mond aufschlug und nur einen Monat später Luna 3 die ersten Bilder der Mondrückseite zur Erde übermittelte.