Världsvägmästare Armitstead slutade i Peloton för att förlänga sin övergripande ledning över Sydafrikas Ashleigh Moolman-Pasio till åtta sekunder.
2014 vinnaren Vos vann 119 km scenen från Nottingham till Stoke i en sprint finish.
Söndagens 113,2 km sista etappen går från Northampton till Kettering.
Vos, som förlorade den gula tröjan till Armitstead på fredag, vann i vad som var en reducerad sprint, med endast 20 ryttare i fronten av loppet för att kämpa ut det efter större delen av dagens klättring packades in i andra halvan av scenen.
Boels Domans Ryttare Armitstead hade anfallit tillsammans med Elisa Longo Borghini, Moolman-Pasio och Emma Johansson med lite under 20 km kvar, fånga och passerande ensam rymling Emilia Fahlin.
Armitstead sade: " Tävlingen höll ihop ända till klättringen, och sedan gick jag, Ashleigh och Elisa, på den andra drottningen av bergen. Emilia var i ingenmansland så hon kom tillbaka till oss.
"Det var lite samarbete i kanske fem kilometer och sedan började Emma och Elisa attackera."
Men jagar pack, inklusive Vos, kämpade tillbaka och fångade dem strax innan 1km-to-go Flamme Rouge att sätta upp sprint finish.
Hon tillade: " Under de sista kilometerna kunde jag se att [pelotonen] skulle komma tillbaka.
"Kommer in i den sista kilometern fanns det ett par turer med upp-hill flimmers och återigen Emma och Elisa attackerade, så det var bara om att täcka dem.
"Som gruppen bakifrån drog, försökte jag sätta mig i en bra position men fastnade lite i sista hörnet."
Women's Tour 2016 - resultat steg fyra
1. Vad är det för fel på dig? Marianne Vos (NED/Raboliv) 3 timmar 7mins 0seks
2 ) och 2......................................................................................................... Leah Kirchmann (CAN/Liv-Plantur) samtidigt
3. Vad är det som händer? Emma Johansson (SWE/Wiggle High5) samtidigt
Fyra. Amalie Dideriksen (DEN/Boels Dolmans) samtidigt
För att uppnå detta mål har kommissionen beslutat att inleda ett förfarande enligt artikel 108.2 i fördraget om Europeiska unionens funktionssätt (nedan kallat EUF-fördraget). Lisa Brennauer (GER/Canyon Sram) samtidigt
Allmän klassificering
1. Vad är det för fel på dig? Lizzie Armitstead (GBR/Boels Dolmans) 91hrs 2min 56seks
2 ) och 2......................................................................................................... Ashleigh Moolman-Pasio (SA/Cervelo Bigla) +08s
3. Vad är det som händer? Elisa Longo Borghini (ITA/Wiggle High5) +10s
Fyra. Marianne Vos (NED/Raboliv) +15s
Fyra. Amanda Spratt (AUS/Orica AIS) +17s
Storbritanniens Lizzie Armitstead sträckte ut sin ledning i Women's Tour som Nederländernas Marianne Vos hävdade seger i steg fyra.