L'idée derrière le Mirage 4000 était de proposer une alternative française aux chasseurs américains biréacteurs. Marcel Dassault avait initialement envisagé un biréacteur pour la France et un monoréacteur pour l'exportation. Cependant, le gouvernement a préféré l'inverse : un monoréacteur pour la France (qui deviendra le Mirage 2000) et un biréacteur pour l'exportation. Cette décision s'explique en partie par les coûts, car les gros biréacteurs étaient financièrement hors de portée pour la France à l'époque. Le Mirage 4000 a donc été conçu en utilisant au maximum les acquis du Mirage 2000, notamment une voilure delta similaire et des commandes de vol électriques.

L'intégration de deux moteurs M53, au lieu d'un seul, permettait d'envisager des performances importantes. Comme le disait Marcel Dassault, "on est bien quand on a deux M53, on peut commencer à discuter performance". L'objectif était de rivaliser avec le F-15. L'avion reprenait la configuration du Mirage 2000, avec une voilure delta et un train d'atterrissage repris tel quel. Ce dernier présentait un inconvénient : un espace limité sous le ventre pour l'emport d'armement ou de réservoirs supplémentaires. Cependant, la grande envergure de la voilure permettait d'emporter des charges utiles conséquentes, même avec cette contrainte.

Le Mirage 4000 se distinguait par ses entrées d'air semi-circulaires et un cône central, une technologie avancée pour l'époque, optimisée pour des vitesses allant jusqu'à Mach 2. Le moteur M53, conçu dès les années 60, était pensé pour des vitesses supersoniques (Mach 2 et Mach 3) et des températures élevées. Bien que le Mirage 2000 n'ait pas atteint Mach 3 à cause d'une poussée moteur un peu juste, le Mirage 4000 était censé y parvenir facilement. Cependant, il n'a jamais été poussé à ces vitesses extrêmes, notamment à cause des coûts et de la gestion des températures.

L'esthétique de l'avion était également marquante, avec une silhouette imposante et une entrée d'air large. Le nez de l'avion, dépourvu de radar car il s'agissait d'un démonstrateur technologique, accueillait des équipements de test. L'absence de système d'armes complet et le manque d'un client à l'exportation (malgré un intérêt de l'Arabie Saoudite) ont scellé son destin.

Une innovation notable était la présence de canards, des surfaces aérodynamiques mobiles situées près du cockpit, qui amélioraient la maniabilité à basse vitesse et permettaient des incidences de vol élevées (jusqu'à 30-35°). Le train d'atterrissage, bien que robuste avec ses gros pneus, était une reprise du Mirage 2000 et limitait l'emport sous le ventre. Les becs de bord d'attaque, très prononcés, contribuaient également à cette capacité de vol à haute incidence.

Le train d'atterrissage principal était doté d'une seule roue, contrairement au Mirage F1 qui en avait deux pour une meilleure gestion en cas de crevaison. Le Mirage 4000 possédait un carénage moteur imposant, ventilé par un flux d'air pour le refroidissement, rappelant d'autres avions comme le F-101 Voodoo. Il est intéressant de noter que le Mirage 4000 fut le dernier avion Dassault à être équipé d'un parachute frein.

Un détail amusant concerne le système hydraulique, un peu sous-dimensionné pour la machine. Lors des démonstrations au Bourget, l'avion devait effectuer un palier horizontal après le décollage pour permettre au train d'atterrissage de rentrer, car une montée immédiate à la verticale aurait surchargé le système hydraulique. Contrairement au Rafale, il ne pouvait pas rentrer son train en vol inversé. Ces compromis s'expliquent par le fait qu'il s'agissait d'un prototype unique, conçu rapidement après le Mirage 2000, dont le but principal était de démontrer la faisabilité technologique.

Enfin, on peut observer sous la voilure des becs de bord d'attaque qui se braquent à des angles importants, et des servo-commandes (mécanismes de pilotage des gouvernes) positionnés différemment du Mirage 2000. Sur le 4000, elles sont externes et plus visibles, tandis que sur le 2000, elles sont intégrées à plat pour réduire la traînée. L'avion disposait également d'un système de vidange de carburant, utile en cas d'atterrissage d'urgence, une caractéristique commune aux avions de ligne et aux avions de la marine.