北京地鐵規劃前期，3號線是從香山起點出發，途經北大、動物園、西直門、地安門、東四十條、亮馬橋的線路，4號線是從清河經北太平莊、新街口、西單、菜市口到永定門的線路。之後，3號線和4號線計劃合並，各自承擔部分線路，形成最終的4號線。
2004年8月，4號線鞏義西橋至安和橋北段正式開工，總投資6543.8+053.8億元。5438年6月+2004年2月，香港地鐵公司與北京市基礎設施投資有限公司、北京首都創業集團有限公司就四號線投資建設運營合作簽署原則性協議，這標誌著四號線成為中國大陸城市軌道交通第壹條公私合營線路。次年2月7日，三家公司分別與北京市政府和北京市軌道交通建設管理有限公司草簽了4號線特許經營協議和項目管理協議。合資公司京港地鐵有限公司隨後於2005年6月8日成立。
2009年2月11，四號線隧道貫通，全線鋪軌完成80%以上。2009年6月20日進行空載試運行，標誌著全線通車，施工開始結束。8月31日，北京市副市長陳剛與200多名在4號線建設期間搬遷的居民壹起參加試乘，成為4號線首批試乘人員。