臥牛山四號墓位于徐州市區西部臥牛山西山頭北麓，西距西臥牛山漢墓（M1、M2）150米，東距臥牛山漢墓（M3）約300米，墓葬地理坐標為北緯34.2548°、東經117.1290°。該墓為橫穴式巖洞墓，墓葬坐南朝北，墓向8°，墓葬地表封土已不存，現由墓道及墓室兩部分組成。

       墓道依山勢走向露天開鑿，其北段部分因村民建房被破壞，墓道總長19.8米，呈長方形，平底，寬3～3.2米。現殘存部分長7.4米，北端深3.4米、南端深4.6米。填土較雜，夾雜大量石塊，偶見馬骨、殘碎瓦片等，質地較為疏松，不見夯層、夯窩等痕跡現象。清理發現，該墓在古代就被完整盜挖，后歷多次盜掘。由近底部東西兩壁殘存的原始填土來看，墓道原以紅褐色填土夾雜大量石塊經夯打封填。墓道底部殘存有大量漆皮痕跡，漆皮層層疊壓，以漆色、形狀初步判斷應為棺木、車廂、封門板等朽痕。另見數量豐富的車馬器及兵器，均為明器，種類有銜鑣、車軎、泡釘、弩機、箭鏃、鐵劍、鐵戟等。漆木朽痕及車馬器、兵器等遺物均為盜墓者自墓室盜擾棄置此處。

       墓室為狹長型長方形洞室，長11.6米、北端寬3.2、高2.26米，南端寬1.9、高1.4米。墓室開鑿不甚規整，北端頂部近平頂，中部以南頂部呈弧形，愈往里端愈向內斜收，且底部愈高隆，頂部愈低矮。墓室底部及壁面多突兀不平，在部分低凹、裂隙處均以紅褐色純土或夾雜紅燒土塊抹平。墓室北端頂部、兩壁及地面鑿有三道封門石槽，由墓室口殘存的褐色漆木朽痕推測，原有木質門板封堵。在墓室中部殘存棺漆痕跡及少量墓主骨骼，骨骼僅見少許盆骨、肢骨，可基本斷定棺槨位置之所在。該墓因盜擾嚴重，隨葬器物多已無存，孑遺者其原始位置已不明確。隨葬器物多為車馬器、兵器類，以明器為主。車馬器有蓋弓帽、銜鑣、車轙等，兵器主要有弩機、箭鏃、鐵戟等。

       臥牛山四號墓為典型的橫穴式巖洞墓，較以往發掘的巖洞墓規格較小，且開鑿粗糙，形制不規整，墓道與墓室連為一體，中間未設甬道，墓室前部用木質封門，種種跡象表明墓葬開鑿并未最終完成，即墓主人應是在倉促死亡的情況下埋葬的。徐州地區的巖洞墓墓主均為楚王或王后，列侯以下均為豎穴墓，故臥牛山四號墓墓主亦為王或后級別，另對出土盆骨確認，其墓主應為女性，因其距西臥牛山楚王墓僅150米，推測四號墓墓主很有可能為西臥牛山墓主的早薨王后。該墓的發掘充實了徐州西漢楚王陵墓考古工作成果，對西漢楚王陵墓墓主、陵墓制度等綜合性研究等方面提供了重要的參考資料。