В мае 1967-го начали переоборудование серийного Ил-18Д в вариант разведчика Ил-20. 21 марта следующего года состоялся его первый полет, но без РЛС бокового обзора. Ведущими на этапе заводских испытаний были летчик-испытатель С.Г. Близнюк и инженер В.М. Володько.
Испытания Ил-20 завершились в 1969 году, а в августе 1970-го машина участвовала в войсковых учениях «Двина». В мае следующего года Ил-20 лидировал авиационное соединение во время показа авиационной техники, проходившего на аэродроме НИИ ВВС и полигоне Грошево под названием «Кристалл» в г. Ахтубинске Астраханской области. С тех пор Ил-20 находится на военной службе. Всего построили около 20 машин этого типа.
Этот самолет был идентифицирован иностранной разведкой не позже 1978 года. Тогда же НАТО присвоило ему кодовое имя Coot-A.
Во второй половине 1970-х годов разработали и начали серийное производство варианта Ил-20М. По сравнению с предшественником на нем, в частности, добавили одно рабочее место и расширили состав разведывательного оборудования. Постепенно ранее выпущенные Ил-20, находившиеся на территории СССР, были доработаны в вариант Ил-20М. Из первых серийных Ил-20 до наших дней сохранился лишь один, использующийся в качестве летающей лаборатории.
На борту воздушных пунктов управления Ил-22 для конспирации писали Ил-18