Первая американская по-настоящему боеспособная атомная бомба, на которой устранили большинство недостатков Mk.III. Применен 32-линзовый ядерный заряд нового типа W-4 с так называемым "левитирующим" ядром. Ядро могло быть выполнено в трех вариантах: из урана-235, из плутония или составное ядро из плутония и урана-235. Соответственно, тротиловый эквивалент мог варьироваться от 20 до 40 кт.

Ядерный заряд разместили в носовой части бомбы, а более легкие блоки автоматики переместили в хвост. Это сделало центровку бомбы более передней, и она приобрела устойчивость на траектории. Круговое вероятное отклонение при сбросе с высоты 10000 м не превышало 160 м. В носовой части бомбы сделали люк, через который можно было прямо в полете установить внутрь заряда ядро из делящихся материалов. Это существенно увеличило безопасность при полетах с ядерным оружием на борту.

При доводке аэродинамической компоновки бомбы ее создатели решили проконсультироваться у известного авиаконструктора Джека Нортропа. Он одобрил центровку бомбы и ее каплевидную форму, но выразил недоумение по поводу толстостенного стального корпуса. Для него было очевидно, что использование наборной конструкции из легких сплавов авиационного типа позволит сэкономить около тонны массы. Что-либо менять в Mk.4 было уже поздно, но все последующие американские атомные бомбы имели легкий корпус.

Mk.4 имела значительно лучшие, чем предшественница, эксплуатационные качества. Сборку основных элементов боеприпаса можно было выполнить менее чем за час. Конструкция стала приспособлен ной к длительному хранению в собранном состоянии.

Первая Mk.4 поступила на вооружение 19 марта 1949 г. Всего до мая 1951 г. выпустили около 550 "изделий". С 1950 по 1953 гг. бомбы Mk.4 составляли основу ядерного арсенала США. Между июлем 1952 г. и маем 1953 г. Все они были сняты с вооружения и заменены более эффективными бомбами того же класса Mk.6 и малогабаритными Mk.5.