Alla fine delle Grandi Manovre del ’31 a Ferrara, il
Reparto e' ancora diviso con il IX Gruppo e il comando Stormo a Campoformido mentre il X Gruppo si trova ad
Aviano. Il 9 settembre 1931 il X Gruppo viene trasferito sull'aeroporto di
Gorizia - Merna seguito, il 28 dello stesso mese, dal IX e dal comando Stormo.
Lo stemma del reparto, in origine un uomo alato, nel 1933 fu sostituito dal cavallino rampante, in quanto i due gruppi volo avevano adottato i cavallini, bianco su nero (IX) e nero su bianco (X). Il nodo sabaudo a cornice dello stemma, sormontato dalla corona ducale, comparirà in onore del Duca Amedeo d'Aosta, Comandante carismatico del 4° Stormo (1933-1934).
Nel 1939 vengono assegnati i primi FIAT CR.42. Nel 1940 lo Stormo è equipaggiato con velivoli MC.200 Saetta. Nel 1941 il IX e il X gruppo vengono impiegati sul fronte jugoslavo, successivamente il IX gruppo si addestra sul nuovo velivolo Macchi C202 Folgore. Lo Stormo partecipa in prima linea durante la Battaglia di El Alamein. Nel 1944, in seno allo Stormo, si ricostituisce il XII gruppo con le 73ª e la 91ª squadriglie prelevate dagli altri due gruppi, ma dopo poco, viene sciolto e le squadriglie riassorbite dai due gruppi. Nella metà del 1946 al 4° Stormo viene assegnato il velivolo Americano P38 J Lightning. Nel 1947 lo Stormo viene trasferito a Capodichino e, dopo poco, arrivano i primi P51D Mustang. Da lì a due anni arrivano al Reparto i primi aviogetti DH.100 Vampire, con i quali viene fondata la prima pattuglia acrobatica italiana del dopoguerra. Nel giugno del 1956, il Quarto si trasforma in Aerobrigata e si trasferisce a Pratica di Mare per iniziare la conversione su l'F-86 E Sabre. Nel 1962 la bandiera del Reparto viene portata da Pratica di Mare a Grosseto, da quel momento sede stabile dell'Aerobrigata. In questo periodo il IX gruppo si prepara a passare agli F-104 e diventare il primo Reparto supersonico. Nell'aprile del 1963, mentre il IX Gruppo riceve i primi F-104G Starfighter, il XII Gruppo viene trasferito a Gioia del Colle. Nel 1967 l'Aerobrigata viene trasformata ancora una volta in Stormo: il X gruppo entra a far parte del costituendo 9° Stormo ed il XII gruppo del 36° Stormo. Nel 1985 entrano a far parte dello Stormo il 4° Reparto Manutenzione Velivoli, ente dedicato alla manutenzione della linea F-104, ed il 20° Gruppo Addestramento Operativo, dotato di TF-104G e F-104G. Il 20° Gruppo vanta importanti tradizioni storiche: nato nel 1918 a Castenedolo, opera prima sulla Manica nel '40-'41 e poi in Africa settentrionale. Il 26 febbraio del 1965, viene ricostituito sulla base di Grosseto.
Negli anni di permanenza a Grosseto lo Stormo si è avvalso anche della 604ª Squadriglia Collegamenti nei ruoli Search and Rescue, eliambulanza e protezione civile. La data storica che segna l'inizio dell'era Eurofighter è il 16 marzo 2004, quando il Quarto si trova ad affrontare l'onere di transitare per primo sul velivolo EF 2000 Typhoon con il supporto del costituendo 904° Gruppo Efficienza Aeromobili. Gli anni che seguono sono un crescendo di impegni e riconoscimenti: nel 2008 il 4° Stormo supera in maniera eccellente la VCO (Verifica Capacità Operativa) e nel luglio 2009 garantisce la difesa aerea durante il G8 svoltosi a L'Aquila. Sempre nel 2009 il Reparto supera brillantemente la NATO Forceval. Nel periodo luglio - dicembre 2010, per la prima volta in ambito europeo, i velivoli Eurofighter del 4° Stormo garantiscono la prontezza NRFI5. Dal 1° giugno 2010 lo Stormo è l'unico reparto ad assicurare la Sorveglianza dello Spazio Aereo italiano per tutto il centro nord. Dal 2011, il 4° Stormo di Grosseto ha dato importanti segnali in termini di operatività ed efficienza, garantendo le operazioni Winter Hide, Aeroindia, Odyssey Dawn e Unified Protector. Il personale, i mezzi e i velivoli del 4° Stormo hanno partecipato all'operazione Cieli Ghiacciati in Islanda ed all'operazione Baltic Air Policing in Lituania con il compito di assicurare il servizio di sorveglianza dello spazio aereo ed al contempo, per svolgere attività addestrativa.
