Primogenito di Filippo III e di Margherita d'Austria-Stiria, nacque a Valladolid l'8 aprile 1605.
Nel 1615, all'età di dieci anni, fu fatto sposare con Elisabetta di Francia che ne aveva tredici. Nello stesso periodo fu introdotto a corte Gaspar de Guzmán conte di Olivares che divenne molto amico di Filippo IV e in seguito suo consigliere e primo ministro con grandissima influenza sulle cose di governo e sulla vita del re.
Filippo IV fu incoronato nel 1621 re di Spagna, dei Paesi Bassi spagnoli, del Portogallo e di Algarve. Era appena sedicenne e l'onnipotente Olivares riuscì a mantenere la sua posizione fino al 1643 quando cadde in disgrazia a seguito di intrighi di corte ai quali non era estranea la regina Elisabetta.
Il ruolo di primo ministro passò a Luis de Haro, nipote e avversario di Olivares, che morì nel 1661 e poi al duca di Medina.
Durante il regno di Filippo IV la Spagna perse il Portogallo che si ribellò nel 1640. Nello stesso anno scoppio una rivolta anche in Catalogna che rientrò alcuni anni dopo.
In politica interna Filippo IV cercò di riorganizzare l'amministrazione dell'impero, creò le Juntas, commissioni itineranti con funzioni governative.
Fu uomo colto e mecenate, protesse artisti come Diego Velázquez, suo pittore di corte, e autori teatrali come Pedro Calderòn de la Barca e Lope de Vega, fu commediografo egli stesso e grande collezionista di opere d'arte.
Da Elisabetta di Francia ebbe Baltasar Carlos (1629-1646) e Maria Teresa (1638-1683) oltre a cinque bambine morte neonate. Elisabetta morì nel 1644 e nel 1649 Filippo sposò Marianna d'Austria dalla quale ebbe Margherita Teresa di Spagna (1651 - 1673), Carlo II di Spagna (1661 - 1700) e altri tre figli morti in tenerissima età.
Filippo IV morì a Madrid il 17 settembre 1665, fu suo successore il figlio Carlo II.