Однако этими системами не ограничивался состав специального оборудования Ил-20. В нижней части фюзеляжа за крылом устанавливались антенны станции детальной радиотехнической разведки «Квадрат», позволявшей, в отличие от системы «Ромб», получать более подробные сведения об обнаруженных радиоизлучающих объектах. Над передней частью фюзеляжа располагались антенны системы перехвата открытых радиопереговоров в эфире «Вишня».
Специальное разведывательное оборудование, установленное на борту Ил-20, обслуживал тактический экипаж из шести операторов, размещавшихся в передней и средней кабинах самолета. Кроме того, как и на всех других Ил-18, в состав экипажа Ил-20 входили два пилота (командир и правый летчик), штурман, бортинженер и бортрадист. Стандартное для Ил-18 пассажирское оборудование салона было упразднено, но в задней кабине была организована комната для отдыха экипажа с креслами и буфет, здесь же были помещения гардероба и туалета. Для аварийного покидания самолета с парашютами предусматривался аварийный люк в правом борту задней части фюзеляжа.
В первый экземпляр Ил-20 решено было переоборудовать серийный Ил-18Д №9403. Переоборудование его на московском заводе «Знамя труда» началось 6 мая 1967 г. и завершилось в начале следующего года. На летные испытания самолет поступил в марте. Первый полет на Ил-20 выполнил 21 марта 1968 г. экипаж во главе с летчиком-испытателем Станиславом Близнюком, пришедшим на фирму после окончания в 1965 г. Школы летчиков-испытателей ЛИИ и ставшим позднее шеф-пилотом ОКБ им. С.В. Ильюшина. Ведущим инженером по испытаниям Ил-20 был назначен В. Володько.
Первый этап летных испытаний (еще без аппаратуры «Игла»), завершенный в том же 1968 г., выявил, что по пилотированию Ил-20 отличается от серийного Ил-18Д незначительно. Управление им было легким и удобным, вместе с тем наличие подфюзеляжной гондолы с большой боковой поверхностью вызвало уменьшение запаса путевой статической устойчивости. Однако проявлялось это в основном только при полете с зафлюгированным крайним двигателем, когда отклонение самолета по курсу и крену происходило более интенсивно, чем на пассажирском Ил-18Д. Но и в данном случае значения крена не выходили за ограничения.
Второй этап летных испытаний (с аппаратурой «Игла») начался в том же 1968 г. и завершился летом следующего 1969 г. с положительной оценкой. Полеты были зачтены в качестве этапа «А» совместных государственных испытаний, и самолет был рекомендован к серийному производству. Разработка чертежей для серийного производства на заводе «Знамя труда» началась еще в 1968 г., и на рубеже нового десятилетия из цехов начали выходить уже первые серийные машины. Этап «Б» совместных государственных испытаний Ил-20 прошел в 1970-1971 гг., после чего начал поступать в войска.
Самолеты Ил-20, а также последовавшие за ними модернизированные Ил-20М и Ил-20М1 с более совершенным оборудованием не входили в состав разведывательных авиаполков или эскадрилий ВВС Советского Союза, а подчинялись непосредственно командованию военных округов (в каждом округе имелось по несколько таких самолетов). Всего до 1976 г. завод «Знамя труда» построил около двух десятков самолетов Ил-20 и Ил-20М.
Самолеты данного типа неоднократно привлекались к различным учениям Вооруженных Сил. Так, в период с 4 по 10 февраля 1970 г. Ил-20 принял участие в войсковых учениях «Двина» (самолет пилотировал экипаж летчика-испытателя С. Близнюка). В мае следующего года Ил-20 выступил в качестве самолета-лидера на показе авиационной техники под условным названием «Кристалл», проводившемся для высшего руководства страны на аэродроме ГНИКИ ВВС в г. Ахтубинске.
Появление строевых Ил-20 над нейтральными водами не прошло незамеченным для потенциального, как тогда говорили, противника. Однако идентифицирован иностранной разведкой он был только в 1978 г., когда НАТО присвоило ему кодовое наименование Coot-A.
Экипажи Ил-20 постоянно выполняли разведывательные полеты над нейтральными водами мирового океана, где неоднократно их «перехватывали» самолеты вероятного противника. Так, весной 1985 г. разведчик был встречен «Си Харриером» 801-й эскадрильи авиации ВМС Великобритании над Северной Атлантикой вблизи Норвегии.
31 августа 1993 г. Ил-20М (командир майор И. Антипов), выполнявший учебно-боевое задание, был условно перехвачен над нейтральными водами Японского моря сначала истребителями вооруженных сил республики Корея, а затем самолетами японских сил самообороны.