Die beiden als Bundesautobahn 4 (Abkürzung BAB 4), Kurzform Autobahn 4 (Abkürzung A 4) bezeichneten Autobahnstrecken verlaufen von der niederländischen Grenze bei Aachen über Köln bis kurz östlich der A 45 bei Olpe-Süd bzw. Krombach, der längere östliche Abschnitt von Kirchheim über Bad Hersfeld, Erfurt, Jena, Chemnitz und Dresden bis zur polnischen Grenze in Görlitz. Der Abschnitt zwischen Kreuztal-Krombach und dem Kirchheimer Dreieck wurde nicht gebaut, so dass es zwischen den beiden existierenden Teilstücken der A 4 eine größere Lücke gibt. Zusammen genommen sind die beiden Autobahnstrecken die viertlängste Autobahn in Deutschland nach den Bundesautobahnen 7, 3 und 1.
Während der deutschen Teilung bildete diese Autobahn mit dem Grenzübergang Wartha/Herleshausen eine der durch die DDR führenden Transitstrecken. Seit der Grenzöffnung 1989 stellt sie eine wichtige Ost-West-Verbindung für den europäischen Transitverkehr dar, infolgedessen ist das Verkehrsaufkommen stark angestiegen. In ihrem östlichen Teil wurde die Trasse daher durchgehend modernisiert und erweitert.
Im größten Teil ihres Verlaufes ist die Autobahn Bestandteil der Europastraße 40, in Teilstücken auch der Europastraßen 314 und 55. Ihre Gesamtlänge beträgt 583 km – hierbei entfallen 150 km auf den westlichen Ast und 433 km auf den östlichen.
Verlauf Aachen–Krombach Die Autobahn beginnt am Grenzübergang Vetschau als Fortsetzung des niederländischen Rijksweg A 76. Die Hollandlinie führt vierstreifig durch das nördliche Stadtgebiet von Aachen und trifft am Kreuz Aachen auf die vom Europaplatz her kommende BAB 544. Gleichzeitig wird sie von der Belgienlinie nach Düsseldorf (BAB 44) gekreuzt. Die BAB 544 ist dabei nur aus östlicher Richtung zu erreichen, da der Westteil des Aachener Kreuzes als Gabelung ausgeführt ist, die mit dem Kleeblattkreuz über mehrere Verbindungsrampen zusammenhängt – zwischen beiden Teilen des Kreuzes verlaufen sechs Fahrbahnen mit bis zu 17 Fahrstreifen.
Hinter dem Kreuz ist die BAB 4 sechsstreifig. Sie führt am Nordrand der Eifel an Eschweiler vorbei und anschließend durch die flache Jülich-Zülpicher Börde. Bei Weisweiler befindet sich direkt an der Autobahn ein großes Braunkohlekraftwerk, einige Kilometer weiter östlich hinter Düren wurde die Autobahn aufgrund der Ausbreitung des Tagebaus Hambach auf mehreren Kilometern nach Süden verlegt. Diese Neubaustrecke wurde komplett durch den Energieversorger und Tagebaubetreiber RWE finanziert. Bei Kerpen kreuzt die BAB 61 (Venlo–Hockenheim), die die schnellste Verbindung nach Süddeutschland darstellt. Nach Kerpen führt die Autobahn über das Vorgebirge und steigt bei Frechen zum Rhein hinab. In östliche Fahrtrichtung bietet sich hier ein weitläufiger Ausblick auf die Stadt Köln.
Das Kreuz Köln-West, wo die BAB 1 gekreuzt wird, markiert den Beginn des südlichen Kölner Autobahnrings. Der Containerbahnhof Köln-Eifeltor liegt unmittelbar an der Autobahn und hat eine eigene Anschlussstelle. Anschließend führt am Kreuz Köln-Süd die BAB 555 nach Bonn. Danach wird auf der Rodenkirchener Brücke der Rhein überquert und am Kreuz Köln-Gremberg die BAB 559 von Deutz zum Flughafen Köln/Bonn und weiter nach Königswinter gekreuzt. Am nachfolgenden Dreieck Köln-Heumar endet die Hauptfahrbahn der BAB 4 und führt auf die der BAB 3.
Bis zum Kreuz Köln-Ost verlaufen die Autobahnen 3 und 4 auf einer gemeinsamen, achtstreifig ausgebauten Trasse in nördliche Richtung. Hinter dem Kreuz führt die BAB 4 dann wieder auf einer eigenen, vierstreifigen Trasse in östliche Richtung, womit der Kölner Autobahnring verlassen wird. Sie führt zunächst an den östlichen Kölner Stadtteilen Merheim und Brück vorbei und durchquert den nördlichen Teil des Königsforsts. An den südlichen Stadtteilen von Bergisch Gladbach vorbei, erreicht sie bei Untereschbach das Sülztal und erreicht den ersten Höhenzug des Bergischen Lands zwischen Sülz- und Aggertal, dem die Autobahn von Overath bis Engelskirchen oberhalb am östlichen Hang folgt. Kurz vor Gummersbach überquert die Autobahn die Wiehl und führt nun auf einem Höhenrücken an der Wiehltalsperre bei Reichshof entlang. Die Autobahn erreicht das Sauerland mit seinen im Vergleich zum Bergischen Land höheren Bergen. Dem Abstieg ins Biggetal folgt das Kreuz Olpe-Süd mit der BAB 45.
Jahrelang war das Autobahnkreuz mit der Sauerlandlinie mit der nur wenige hundert Meter östlich gelegenen Anschlussstelle an die L 512 bei Wenden der Endpunkt des westlichen Teilstücks der BAB 4. Die Verbindung mit der Hüttentalstraße wurde 2006 fertiggestellt. Von Wenden aus geht es aus dem Biggetal wieder hinauf zum Höhenrücken zwischen Bigge- und Littfetal. Auf ca. 480 m über NN endet die Autobahn oberhalb von Kreuztal an der B 54, die als autobahnähnliche Straße (Hüttentalstraße) weiter nach Kreuztal und schließlich ins Stadtgebiet von Siegen führt.
Wer vom westlichen zum östlichen Teilstück der BAB 4 oder umgekehrt möchte, muss am Kreuz Olpe-Süd auf die BAB 45 Richtung Frankfurt fahren, dieser bis zur Anschlussstelle Wetzlar-Ost folgen, dann auf die B 49 Richtung Gießen wechseln, danach auf die B 429 (Gießener Ring) Richtung Wettenberg, die BAB 480, die BAB 5 (bzw. ab dem Hattenbacher Dreieck BAB 7) Richtung Kassel, ehe man am Kirchheimer Dreieck den Beginn des östlichen BAB 4-Abschnitts erreicht. Die genannte Route entspricht der Europastraße 40, allerdings wird das Fernziel Erfurt über das Gießener Südkreuz und die BAB 485 ausgeschildert, sodass eine durchgehend als Autobahn gewidmete Verbindung existiert.
Kirchheim–Görlitz Die östliche Teilstrecke der BAB 4 beginnt in Hessen, am bei Bad Hersfeld gelegenen Kirchheimer Dreieck. Dort zweigt sie von der BAB 7 in östliche Richtung ab. Nur einige Kilometer südlich des Knotenpunkts zweigt am Hattenbacher Dreieck die BAB 5 als Verlängerung der Hauptfahrbahn der BAB 7 nach Südwesten ab. Die beiden Knotenpunkte bilden mit den wegführenden Strecken ein zentrales Verkehrsdrehkreuz für den nationalen und internationalen Verkehr und sind dementsprechend hoch belastet.
Bis zur Anschlussstelle Wommen an der hessisch-thüringischen Landesgrenze ist die Autobahn vierstreifig, hat aber aufgrund der bergigen Streckenführung abschnittsweise einen zusätzlichen dritten Fahrstreifen pro Richtungsfahrbahn. Vom Aulatal aus wird ein Höhenzug des Knüllgebirges durchquert und auf der anderen Seite das Fuldatal im Bereich der Stadt Bad Hersfeld erreicht. Nach Durchquerung des südlichen Stadtgebiets und Überquerung der Fulda geht es am südlichen Hang des Tals den Seulingswald hinauf. Der Höhenzug wird entlang des Bergkamms der Lange nach überquert, ehe kurz vor Wildeck die Landschaft zum Werratal hin flach abfällt und die Autobahn am nördlichen Hang der breiten Senke verläuft. Zwischen Wildeck und Gerstungen wird zum ersten Mal die Landesgrenze zu Thüringen gequert, ehe nach einigen Kilometern wieder hessisches Gebiet erreicht ist. Weiter geht es am nördlichen Hang des Werratals auf einer nun von hier bis Dresden sechsstreifig ausgebauten Fahrbahn. Hinter Herleshausen wird Hessen dann endgültig verlassen und die Autobahn wechselt wieder nach Thüringen.
Bei Hörschel wird die Werra auf einer 85 m hohen Brücke überquert. Am Südrand des Hainichs und an den Hörselbergen entlang wird die Stadt Eisenach in einem sehr weitläufigen Bogen umfahren. Am Südrand des Thüringer Beckens, wo sich südlich der Thüringer Wald anschließt, geht es an Gotha und den direkt an der Autobahn gelegenen Drei Gleichen (Burg Gleichen, Mühlburg, Wachsenburg) vorbei, ehe die thüringische Landeshauptstadt Erfurt erreicht ist. Am Autobahnkreuz Erfurt trifft die BAB 4 auf die BAB 71. Die beiden Autobahnen bilden zusammen mit der B 7 einen Ring um Erfurt. Weit außerhalb des Stadtgebiets umfährt die BAB 4 die Stadt südlich über das Plateau der Ilm-Saale-Platte. Anschließend geht es an Weimar vorbei und kurz vor Jena wird im Jagdbergtunnel der Höhenrücken zum Saaletal hin unterquert. Im südlichen Stadtgebiet von Jena wird zunächst die Saale überquert, ehe in einem zweiten Tunnel, der aus Lärmschutzgründen gebaut wurde, die Trabantenstadt Neulobeda tangiert wird. Von dort aus führt die Autobahn oberhalb des Rodatals ins hügelige und waldreiche Thüringer Holzland. Kurz hinter der markanten Teufelstalbrücke ist das Hermsdorfer Kreuz erreicht, an dem die BAB 4 die BAB 9 kreuzt.
Östlich vom Hermsdorfer Kreuz folgt ein langgezogener Abstieg ins Tal der Weißen Elster. Die im Tal liegende Stadt Gera wird nördlich und östlich umfahren. Nach dem vom ehemaligen Uranabbau geprägten Ronneburg erreicht die Autobahn die Landesgrenze zu Sachsen. Bei Crimmitschau wird die Pleiße überquert und hinter Glauchau der Höhenzug des Rabensteiner Walds erreicht, den die BAB 4 der Länge nach quert. Am östlichen Abstieg folgt das Autobahnkreuz Chemnitz mit der BAB 72 und schließlich die nördliche Umfahrung von Chemnitz. Den markanten Bahrebachmühlenviadukt der eingleisigen Bahnstrecke Neukieritzsch–Chemnitz unterquert die Autobahn in einem kurzen Tunnelbauwerk, danach folgt die Querung des namensgebenden Flusses Chemnitz. Die folgende Strecke ist vom Verlauf durchs hügelige Erzgebirgsvorland geprägt und führt zunächst nach Nordosten, schließlich wieder nach Osten. Die Täler der im Erzgebirge entspringenden und zur Elbe hin verlaufenden Flüsse Zschopau, Kleine Striegis, Große Striegis und Freiberger Mulde werden überquert und mehrere Waldgebiete durchfahren. Am Autobahndreieck Nossen mündet die von Nordwesten her kommende BAB 14 in die BAB 4.
Der Streckenverlauf ab Nossen führt wieder geradewegs nach Osten, oberhalb der Triebischtäler entlang. Kurz nach Erreichen der ersten Vororte von Dresden zweigt am Autobahndreieck Dresden-West die BAB 17 nach Südosten ab. Am sogenannten Brabschützer Berg geht es in den Elbtalkessel hinab. Die Elbe wird überquert und in nordöstlicher Richtung die nördlichen Stadtteile der sächsischen Landeshauptstadt durchfahren. Nach dem Aufstieg aus dem Talkessel hinaus, mündet die von Norden her kommende BAB 13 am Autobahndreieck Dresden-Nord in die BAB 4 ein. Unmittelbar benachbart liegt der Dresdner Flughafen.
Hinter dem Autobahndreieck endet der sechsstreifige Ausbau und die Autobahn weist bis zum Ende an der polnischen Grenze nur noch vier Fahrstreifen auf, mit Ausnahme einiger kürzerer Abschnitte in Steigungsbereichen, die über einen Zusatzfahrstreifen verfügen. Zunächst parallel zum Flughafengelände weiter nach Nordosten, dreht bei Ottendorf-Okrilla am Südrand der Laußnitzer Heide die Strecke nach Osten. Auf Höhe von Pulsnitz quert sie die bewaldeten westlichen Ausläufer des Lausitzer Berglands und weist mehrere kleinere Steigungs- und Gefällestrecken auf. Bei Burkau folgt ein Abstieg und die Oberlausitz ist erreicht. Das Gebiet zwischen Bergland im Süden und dem Oberlausitzer Heide- und Teichgebiet im Norden wird nun der Länge nach durchquert. Die Streckenführung ermöglicht dabei von Westen kommend einen Panoramablick auf die Stadt Bautzen, die im Anschluss nördlich umfahren wird. Dabei wird die Spree überquert, die unmittelbar nördlich der Autobahn zur Talsperre Bautzen aufgestaut wird.