Era fill de Felip III de Castella i de Margarida d’Àustria. Als deu anys fou casat amb Isabel de França, però no hi cohabità fins el 1619. De molt jove fou influït per Gaspar de Guzmán, comte duc d’Olivares, el qual l’induí a menysprear el pacifisme de Felip III i a desitjar l’hegemonia de Castella a Europa.
En pujar al tron, Felip IV confià el poder a l’oncle del comte duc d’Olivares, Baltasar de Zúñiga i, quan aquest morí (1622), al mateix comte duc. Aquest es convertí en el seu privat omnipotent, i el rei, més actiu que el seu pare, es reservà les funcions de caràcter burocràtic. Aconsellat pel comte duc, Felip IV intentà una reforma financera i tributària basada en idees de l'arbitrisme, però fracassà.
D’altra banda, acabada la treva de dotze anys amb Holanda (1621) i d’acord amb el bel·licisme de tots dos bàndols, la guerra fou represa, fet que repercutí en les ja exhaustes finances castellanes. El comte duc projectà l’anomenada Unión de Armas, cooperació militar entre els altres regnes peninsulars i Castella, per tal que contribuïssin a les oneroses campanyes militars castellanes i com a primer pas cap a la submissió dels altres regnes a les lleis i usos de Castella i a l’abolició de llurs constitucions, considerades com un entrebanc per a implantar l’autoritat d’un govern central i absolutista tal i com, a la pràctica, ja existia a Castella. El comte duc aconsellà sovint a Felip IV que actués, ja fos fomentant la fusió entre els naturals d’altres regnes i els castellans, ja fos per la violència o bé provocant un conflicte que li donés un pretext per a intervenir militarment i abolir les lleis pròpies de cada regne.
El projecte de la Unión de Armas no agradà ni a Aragó ni als Països Catalans; hom es negà a discutir-lo fins que el rei els visités i en jurés les constitucions, cosa que, després de gairebé cinc anys de regnat, encara no havia fet. Això decidí el rei a emprendre el viatge. Pel gener del 1626 tingué la cort d’Aragó a Saragossa; poc després aplegà la valenciana a Montsó (cosa que decebé els valencians, que esperaven la visita reial). En tots dos casos el rei hi obtingué subsidis en diner, però fou rebutjada qualsevol cooperació militar. Tanmateix, el conflicte es produí a la cort de Barcelona, aquell mateix any: la Unión de Armas fou rebutjada, i la impaciència del rei —que volia retornar a Castella per a evitar més despeses— no evità que la cort es negués a pagar el subsidi que demanava, car el país —contràriament al que creia el comte duc d’Olivares— es trobava exhaust per la crisi econòmica. La inflexibilitat reial en l’afer dels quints i en el de les noves constitucions que hom havia preparat impedí cap acord, i el rei, irritat, abandonà Barcelona sense cloure la cort, fet inusitat, que consternà el país. Els consellers de Barcelona intentaren, amb un donatiu de 50 000 lliures, que hi tornés, però sense èxit.
El fracàs del comte duc a obtenir recursos col·locà Castella en una situació angoixosa. Fins aleshores la situació exterior havia estat favorable: les tropes de Flandes, comandades per Ambrogio Spinola, conqueriren Breda, als Països Baixos (1625), la situació dels seus aliats catòlics a la guerra dels Trenta Anys semblava bona, i el tractat de Montsó (1626) assegurava a Castella el control de la Valtellina. Però el 1628 esclatà a Itàlia una nova guerra per Màntua i Montferrat, i aquell mateix any la flota d’Índies fou capturada pel pirata holandès Piet Heyn, fets que enfonsaren les finances castellanes en una mar de deutes. Hom no explotà l’èxit als Països Baixos, per manca de recursos; els préstecs dels banquers portuguesos ja no eren suficients —els italians ja no volien tractes amb Felip IV— i la ruïna imminent forçà el rei a crear nous tributs, com el de la media annata (1631) i el del paper segellat (1637), a retenir la meitat de la renda dels juros (des del 1635) i a confiscar l’argent de particulars que arribava a Sevilla, mesura que causà una greu crisi del comerç.
A més, la situació a Europa empitjorà. La indigència reial i una evident bona disposició dels catalans (donatiu del 1631 del Principat) dugueren el rei a tornar a Barcelona (1632) i continuar la cort suspesa: el rei nomenà el seu germà, el cardenal-infant Ferran, com a lloctinent i representant seu a la cort, i se'n tornà a Madrid. Però un conflicte entorn del privilegi de cobertura i la manca de tacte del lloctinent feu fracassar la cort de nou —bé que la base del fracàs era l’oposició del Principat a contribuir a les guerres de Castella més enllà del que permetien les lleis—. Alhora, a Biscaia, es produïren motins, causats per un nou impost sobre la sal.
El fracàs de les corts augmentà les pressions de Castella: el rei reclamà novament els quints, i la guerra amb França (1635), que agreujava encara la situació econòmica de la monarquia, donà lloc a la introducció de tropes castellanes a Catalunya. Com que els catalans —tal com establia l’usatge Princeps namque— es negaven a lliurar homes per a lluitar fora dels límits del Principat, el comte duc d’Olivares inicià una ofensiva al Llenguadoc (1637), de conseqüències catastròfiques (enfonsament del front a Leucata, 1637; presa de Salses pels francesos, 1639). Obligats llavors a lluitar, els catalans recuperaren Salses, però el rei no sols no retirà les tropes castellanes —que assolaven el país amb llurs depredacions—, sinó que anuncià una nova cort. Hom sospitava que la presència de l’exèrcit castellà pretenia d’intimidar la cort i assolir l’abolició o la modificació de les constitucions catalanes.
La guerra amb França, d’altra banda, perjudicava el comerç —i el contraban— català i contribuí al profund descontentament, que culminà (1640) amb l’esclat de la guerra dels Segadors, en el curs de la qual tingué lloc, aquell mateix any, l’aixecament i la definitiva separació de Portugal de Castella. Felip IV hagué de prescindir del comte duc d’Olivares (1643) per la magnitud dels seus desencerts, i confià el poder a Luis Menéndez de Haro, nebot del comte duc, alhora que cercava refugi espiritual en els consells —d’eficàcia dubtosa— de la monja María de Jesús de Ágreda.
El primer pas per a descarregar Castella de guerres fou el reconeixement de la independència d’Holanda, a la pau de Westfàlia (1648). Només amb el reconeixement de les constitucions catalanes, després d’una llarga guerra, assolí la recuperació del Principat (1652). Animat per les dificultats de la cort francesa amb la revolta de la Fronda, havia intentat un darrer esforç bèl·lic, però l’ajut decisiu de l’Anglaterra de Cromwell als francesos assegurà finalment la derrota castellana i la signatura del tractat dels Pirineus (1659), que significà la pèrdua del comtat de Rosselló i de la meitat del de Cerdanya i el matrimoni de la seva filla Maria Teresa amb Lluís XIV, hipoteca que gravà el regnat següent. Un darrer intent de recuperar Portugal (1663-65) fou també un fracàs.
En morir, Felip IV —que havia perdut l’hereu del seu primer matrimoni, el príncep Baltasar Carles, el 1646— deixava la corona a les mans de la seva segona muller, Marianna d’Àustria, com a regent de l’únic hereu que li restava, el malaltís i degenerat Carles II de Castella. Felip IV ha restat vinculat a la figura del pintor de la seva cort Diego Velázquez, al qual confià també la formació d’una important col·lecció de pintura —que l’artista adquirí en dos viatges a Itàlia—, conservada a l’Alcázar de Madrid fins a l’incendi de l’any 1734, que en destruí una part.