最早于1997年规划中，已经出现了现有广州地铁4号线北段的雏型。当时此线为方案A中地铁5号线的一条支线，从琶洲分岔出来到世界大观。

在2000年的方案中，该段支线被独立出来，北段延伸到科学城内，在万胜围站与旧2号线换乘，南端因应番禺撤市建区，得以延长至新造镇。现有4号线北段初步定型。

在2003年的方案中，广州地铁4号线南端得以沿京珠高速继续延长，在规划广州新城附近转弯，东进至海鸥岛。而当时的广州地铁3号线在到达广州新城后，也沿京珠高速继续向南，到达南沙。后来2003年方案局部修改，广州地铁3号线和4号线交换广州新城(现海傍站)以南及以东的路段，广州地铁4号线确定向南进入南沙，同时广州地铁4号线全线走向也基本得以定型。

后来于2010年年末，广州地铁4号线规划中的黄村以北段被单独裁剪出来，独立成为广州地铁21号线。现时天河区区长呼吁广州地铁4号线北延段改为进入智慧城。

而广州地铁4号线金洲站以东一段本来是沿南沙街道北部一带布置，后于2011年改为沿南沙街道南部布置，经过南沙旧镇，以服务更多市民。

2003年1月19日，广州地铁4号线一期工程动工、广州地铁4号线大学城专线(万胜围至新造)动工。

2004年4月25日，国家发改委批复广州地铁4号线二期工程(新造-金洲)可行性报告。

2005年1月11日，广州地铁4号线大学城专线大学城南站封顶;同年，广州地铁4号线首期(萝岗新城至新造)的工程可行性研究报告获得国家发改委批复;同年11月27日，广州地铁4号线首列客车于山东青岛南车四方电力机车有限公司下线，成为全国第一列直线电力机车;同年12月26日，广州地铁4号线首通段(大学城专线)正式通车。

2006年，广州地铁4号线二期(新造至金洲)的工程可行性研究报告亦获得批复;同年8月16日，广州地铁4号线二期首通段高架桥合龙，成为广州地铁4号线高架段首段合龙的高架桥，以及首段采用拼接法建造的高架桥;同年11月18日，广州地铁4号线二期首通段长轨，于低涌站完成焊接，标志着广州地铁4号线长轨正式铺通;同年12月4日，黄阁变电所成功受电，标志着广州地铁4号线二期全线电通;同年12月20日，广州地铁4号线大学城专线段暂停服务9天，进行熟悉线路及开通前的运营演练;同年12月30日，广州地铁4号线二期首通段(新造至黄阁)开通，成为广州地铁第一段高架线路。

2007年5月8日，广州地铁4号线因应线路延长至金洲，再次暂停服务50天，进行全线联合调试;同年6月28日，广州地铁4号线二期全线(万胜围至金洲)开通运营。

2009年3月22日，车万区间区间铺轨完成，为广州地铁5号线列车转场至鱼珠车辆段提供了必要的通道;12月28日，广州地铁4号线万胜围至车陂南开通。

2010年7月2日，广州地铁4号线北延段车陂南站(不含)至黄村站热滑成功;9月25日，广州地铁4号线北延段(车陂南至黄村)投入服务。

2013年8月16日，广州地铁4号线南延段开始施工。

2015年9月18日，广隆站主体结构封顶。

2017年7月1日，广州地铁4号线南延段开始移交运营调试; 同年7月15日，广州地铁4号线南延段进入列车信号调试阶段; 同年8月2日，广州地铁4号线南延段全部新车运抵新造车辆段; 同年9月13日，广州地铁4号线南延段首次进行综合联调动车测试; 10月10日，广州地铁4号线南延段与既有线路全线"跑图"试运行; 同年12月28日，广州地铁4号线南延段开通试运营;庆盛站投入运营。

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