21 декабря 1987 года с космодрома Байконур стартовал пилотируемый корабль «Союз ТМ-4». В четвертую основную экспедицию на орбитальный комплекс «Мир» отправился экипаж в составе Владимира Титова, Мусы Манарова и Анатолия Левченко.

На орбитальной станции космонавтов встретили Юрий Романенко и Александр Александров, члены предыдущей экспедиции. Перед тем, как покинуть «Мир», они продемонстрировали прибывшему экипажу работу скафандров для выхода в открытый космос. Таким образом, была впервые проведена «передача станции» от одного экипажа – другому. Пятеро космонавтов в течение шести суток одновременно трудились на орбите.

Космонавт-исследователь Анатолий Левченко прибыл на станцию по программе «Буран», в те годы активно шла подготовка к полетам многоразового космического корабля. Поэтому он вернулся на Землю с Юрием Романенко и Александром Александровым через семь суток после старта корабля «Союз ТМ-4», чтобы продолжить испытания по своей программе подготовки.

Владимир Титов и Муса Манаров продолжили работу на станции. По программе 365-дневной экспедиции они провели ряд ремонтных работ и научных исследований, а также приняли несколько грузовых кораблей. В числе ремонтно-профилактических работ космонавты произвели обслуживание установки «Электрон», проверку функционирования бортовой электронно-вычислительной машины, установку дополнительных блоков в систему терморегулирования.

В ходе одного из многочисленных научных экспериментов космонавты вырастили монокристаллы полупроводниковых материалов на установке «Корунд». Экипаж также проводил астрофизические исследования: при помощи аппаратуры модуля «Квант» наблюдал Сверхновую в Большом Магеллановом Облаке, отдельные районы созвездий Малая Медведица и Киль.

В июне 1988 года Владимир Титов и Муса Манаров встретили на борту космонавтов второй советско-болгарской экспедиции и совершили совместную научно-исследовательскую работу, в программу которой вошли медико-биологические, материаловедческие эксперименты, дистанционное зондирование Земли и другие наблюдения.

В ходе экспедиции космонавты выполнили три выхода в открытый космос общей продолжительностью 13 часов 47 минут, а длительность их полета составила 365 суток 22 часа 38 минут.