Am 10. Juni 2016 kündigte Andrew House, Präsident und Geschäftsführer von Sony Interactive Entertainment, in der Financial Times erstmals eine leistungsstärkere Weiterentwicklung der PlayStation 4 an. Zuvor hatte es bereits Gerüchte über eine neue, mit mehr CPU- und GPU-Leistung ausgestattete, aber softwarekompatible Modellvariante namens PlayStation 4 Neo gegeben, die erstmals in der Lage sein solle, bereits bestehende Spiele in UHD-Auflösung auszugeben (die PlayStation 4 unterstützt bereits UHD-Auflösung für die Ausgabe von Bildern und Videostreams, verfügt jedoch laut Sony nicht über genug Rechenleistung für die ansprechende Ausgabe von Spielen in UHD). Die PlayStation 4 Pro (PS4 Pro) verfügt wie bereits die PS4 und PS4 Slim über 8 GB RAM des Typs GDDR5 und 256 MB des langsameren Typs DDR3, dieser wurde jedoch um weitere 768 MB erweitert, sodass der PS4 Pro nun insgesamt 1 GB DDR3-RAM für Hintergrundanwendungen zur Verfügung stehen, was unter anderem dafür sorgt, dass Hintergrundanwendungen und Texturen in Spielen schneller laden. Als Zielgruppe nannte House sogenannte „Hardcore-Gamer“ mit sehr hohen Ansprüchen an die Grafik. Anders als die Konkurrenzkonsolen von Microsoft namens Xbox One S und Xbox One X, bietet die PS4 Pro jedoch kein UHD-fähiges Blu-Ray-Laufwerk. Die neue Variante der PlayStation 4 bezeichnete House in einem weiteren Interview mit der britischen Tageszeitung The Guardian vom 15. Juni 2016 auch als Highend-Version einer PlayStation 4, die das weiterhin erhältliche, günstigere Basismodell nicht ersetzen, sondern die Produktpalette des Konzerns erweitern solle – nicht zuletzt, um die erwähnten Hardcore-Gamer von einem Wechsel auf einen spieletauglichen Computer abzuhalten.

Am 7. September 2016 stellte Sony die Weiterentwicklung unter dem Namen PlayStation 4 Pro mit der Modellnummer CUH-70xx offiziell vor. Mit einer auf 2,1 GHz getakteten, sprich einer um 0,5 GHz schnelleren APU sowie 18 zusätzlichen, also insgesamt 36 Grafikprozessorkernen wartet die PlayStation 4 Pro sowohl mit mehr Rechenleistung als auch besseren Grafikfähigkeiten auf als die ursprüngliche PlayStation 4. Die Rechenleistung der PlayStation 4 Pro ist im Vergleich zu den Vorgängermodellen PS4 und PS4 Slim von 1,84 auf 4,198 TeraFLOP/s auf mehr als das Doppelte gestiegen. Dadurch wird unter anderem die Ausgabe von via Online-Update speziell angepassten PlayStation-4-Spielen in – je nach Spiel – hochskalierter oder nativer UHD-Auflösung ermöglicht. PS4-Pro-Nutzer profitieren je nachdem, ob das jeweilige Spiel für die neue Konsole angepasst wurde, von höheren Sichtweiten, stabileren Bildraten, Kantenglättung und/oder weiteren visuellen Features. Die PlayStation 4 Pro ist ca. 295 mm × 55 mm × 327 mm groß, wiegt rund 3,3 kg und weist eine Leistungsaufnahme von ca. 310 Watt im Spielbetrieb auf. Sie wird, anders als die PS4 und PS4 Slim, über ein Kaltgerätekabel mit Strom versorgt. Am 10. November 2016 wurde die PlayStation 4 Pro mit einer unverbindlichen Preisempfehlung von 399,99 Euro auf den Markt gebracht.

Mit Erscheinen der Firmware-Version 4.5 am 9. März 2017 erhielt die PlayStation 4 Pro außerdem einen sogenannten „Boost-Modus“ (engl. „Boost Mode“) zur Beschleunigung von Spielen, die ursprünglich für die PlayStation 4 programmiert wurden. Mit dieser Maßnahme soll es Besitzern der PlayStation 4 Pro ermöglicht werden, die leistungsstärkere Hardware ihrer Konsolen auch bei von den Entwicklerstudios nicht für die neue Modellvariante optimierten Titeln ausnutzen zu können. Insbesondere würden durch die Erhöhung der Taktfrequenz der APU höhere Bildwiederholraten und schnellere Ladezeiten erreicht. Allerdings bleiben die 18 zusätzlichen Grafikprozessorkerne der Playstation 4 Pro im Boost-Modus ungenutzt. Da der Boost-Modus bei manchen Spielen möglicherweise zu Kompatibilitätsproblemen führt, ist seine Verwendung optional. In ersten unabhängigen, bis Mitte Februar 2017 von den Online-Fachzeitschriften PC Games Hardware sowie Hardwareluxx durchgeführten Tests der Beta-Version des Firmware-Updates 4.5 ergaben sich bei populären Titeln wie The Witcher 3: Wild Hunt, Project Cars, Bloodborne, Dark Souls III, Doom, Just Cause 3, Assassin’s Creed Unity und Final Fantasy XIV tatsächlich spürbare, wenngleich nicht immer deutliche Leistungsverbesserungen im Boost-Modus der PlayStation 4 Pro, während sich bei weiteren Verkaufsschlagern wie Grand Theft Auto V oder Far Cry Primal keine nennenswerten Leistungssteigerungen feststellen ließen.