Quick-Step Floors' Trentin rullade in och rusade förbi Spaniens Juan Jose Lobato, med Belgiens Tom van Asbroeck tredje i Tarragona.
Four-time Tour de France mästare Froome slutade i gänget på 198km scenen från Escaldes-Engordany.
Team Sky-ryttaren, 32, har fortfarande två sekunders ledning.
Spaniens David de la Cruz, irländaren Nicolas Roche och amerikanen Tejay van Garderen är hans närmaste utmanare.
Froome siktar på att bli bara den tredje ryttaren att vinna Tour och Vuelta samma år.
Trentin, 28, har nu vunnit en scen i alla tre Grand Tours, vilket ökar segern på 2016 Giro d'Italia och vinner i 2013 och 2014 Tours de France.
"Jag är verkligen stolt över att ha gjort detta med detta team", säger Trentin.
"Jag var verkligen ute efter denna scen seger som jag har gått bra i den sista delen av säsongen."
Quick-Step har vunnit två av de fyra stegen i årets Vuelta, efter Yves Lampaerts seger på scen två.
De höll loppet tillsammans för att sätta upp Trentin för ett gäng sprint efter den utbrytande duon av Stephane Rossetto och Diego Rubio fångades inne i den sista 10 km.
Storbritanniens Simon Yates flyttade upp till 10: e i den allmänna klassificeringen, 48 sekunder bakom Froome, efter Italiens Domenico Pozzivio kraschade sent på och förlorade tre minuter 25 sekunder.
Yates tvillingbror och Orica-Scott lagkamrat Adam är fortfarande åttonde totalt, ytterligare nio sekunder framåt, medan tidigare vinnare Vincenzo Nibali av Italien fortfarande spårar Froome med 10 sekunder.
Onsdagens femte etapp tar ryttare 176km över rullande terräng från Benicassim till Alcossebre, kulminerar i en kort men brant uppförsbacke.
1. Vad är det för fel på dig? Matteo Trentin (Ita/Quick-Step Floors) 4 timmar 43mins 57seks
2 ) och 2......................................................................................................... Juan Jose Lobato (Spa/Team LottoNL-Jumbo) Samma tid
3. Vad är det som händer? Tom van Asbroeck (Bel/Cannondale-Drapac)
Fyra. Edward Theuns (Bel/Trek-Segafredo)
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). Jens Debusschere (Bel/Lotto Soudal)
6. Vad är det som händer? Sacha Modolo (Ita/Team Förenade Arabemiraten)
7. Vad är det som händer? Lorrenzo Manzin (Fra/FDJ)
8. Vad är det som händer? Soren Kragh Andersen (Den/Team Sunweb)
9. Utövande av delegeringen av befogenhet Youcef Reguigui (Alg/Team Dimension Data)
- Tio. - Vad är det för fel på dig? Bockhornsklöver (Ned/Manzana Postobon)
1. Vad är det för fel på dig? Chris Froome (GB/Team Sky) 13hrs 37mins 41seks
2 ) och 2......................................................................................................... David de la Cruz (Spa/Quick-Step Floors) +2seks
3. Vad är det som händer? Nicolas Roche (Ire/BMC Racing Team) Samma tid
Fyra. Tejay van Garderen (US/BMC Racing Team)
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). Vincenzo Nibali (Ita/Bahrain-Merida) +10sek
6. Vad är det som händer? Esteban Chaves (Kol/Orica-Scott) +11seks
7. Vad är det som händer? Fabio Aru (Ita/Astana Pro Team) +38seks
8. Vad är det som händer? Adam Yates (GB/Orica-Scott)+39seks
9. Utövande av delegeringen av befogenhet Romain Bardet (Fra/AG2R La Mondiale) +48seks
- Tio. - Vad är det för fel på dig? Simon Yates (GB/Orica-Scott) Samma tid
Italiens Matteo Trentin spurtade till seger på scen fyra av Vuelta en Espana som Britanniens Chris Froome behöll ledarens röda tröja.