ШВАК сохранил основные черты системы Шпитального-Комарицкого: газовый двигатель автоматики, запирание канала ствола перекосом затвора; выстрел с заднего шептала; большая скорость движения подвижной системы автоматики и сокращение длины ее хода; извлечение патрона из ленты и подача на линию досылания за несколько циклов автоматики с помощью особой зубчатки. И все же ШВАК не был механически «увеличенным» ШКАСом.
Комиссия, утверждавшая новый образец авиационного пулемета, отметила, что конструктор Владимиров подошел к поставленной задаче творчески, усовершенствовал ряд узлов автоматики, перекомпоновал ряд узлов. В частности, он улучшил затвор с автоматическим спуском ударника, более рационально разместил шток, приводящий в действие автоматику, переместив его под ствол и сэкономив объем и массу. Кроме того, Владимиров ввел двухтактную работу системы питания: подача ленты зубчаткой и продвижение очередного патрона на линию досылания производились как при откате, так и при накате подвижной системы автоматики. Однако устранить общую сложность конструкции для производства не удалось.
В 1935 г. ШВАК поступил в производство, но реально серийный выпуск удалось наладить только в следующем году. Пулемет выпускался в крыльевом, турельном, синхронном и моторном вариантах. Выдержать унификацию с патронами наземного крупнокалиберного пулемета не удалось: система питания, аналогичная ШКАС, потребовала выпуска специально для ШВАК 12,7-мм патрона с теми же пулями и пороховым зарядом, что и у патрона «наземного» пулемета ДК, но с выступающей закраиной гильзы.
Вскоре по результатам полигонных испытаний пулемета приняли решение увеличить его калибр. На основе гильзы 12,7-мм патрона был создан 20-мм патрон (гильза из бутылочной стала цилиндрической). Само же оружие путем замены ствола превращалось из крупнокалиберного пулемета в автоматическую пушку. Так ШВАК стал первой отечественной «бикалиберной» системой вооружения.
20-мм пушка ШВАК пошла в серийное производство в 1936 г., после чего 12,7-мм пулемет ШВАК с производства сняли. В 1936 г. выпустили 159 пулеметов ШВАК и 300 пушек ШВАК. Пушка выполнялась в вариантах крыльевой, турельной и мотор-пушки.
Несмотря на относительно слабый для своего калибра патрон, пушка ШВАК оказалась успешнее пулемета ШВАК. В годы Великой Отечественной войны она стала самой массовой: в 1942-1945 гг. было изготовлено 65565 ШВАК. Производство этих пушек в 1942 г. частично передали в г. Медногорск на завод №314 (решение о дублировании производства приняли еще в июле 1941 г.), хотя основным производителем оставался завод №2 в Коврове. Наибольший объем выпуска ШВАК пришелся на 1943-1944 гг. Даже в послевоенном 1946 г. выпустили 754 таких пушки.
Пушка ШВАК ставилась на истребителях И-153П, И-16П, Як-1, Як-3, Як-7Б, Як-9, ЛаГГ-3, Ла-5, штурмовиках Ил-2, бомбардировщиках Пе-8, Ту-2, Ер-2, патрульном МТБ-2; ими перевооружали поставлявшиеся по ленд-лизу британские истребители «Харрикейн». Попытка превратить 20-мм ШВАК в противотанково-зенитную пушку на универсальной полевой установке, предпринятая заводом №2 еще в 1935 г., оказалась неудачной. Но с началом Великой Отечественной войны ШВАК все же «спустилась на землю». 5 декабря 1941 г. на вооружение приняли 20-мм пушку «ШВАК-танковая», выполненную в ОКБ-16 и получившую обозначение ТНШ («танковая Нудельмана-Шпитального»). Она ставилась на легкие танки Т-40С и Т-60. В том же декабре 1941 г. ковровские оружейники установили пушки ШВАК на тумбовых зенитных установках на бронепоезд «Ковровский большевик». В качестве зенитных ШВАКи использовались также на торпедных катерах типа Г-5 и Д-3.