После того, как 1 мая 1960 г. над Свердловском был сбит американский высотный самолет-разведчик U-2, пилотируемый Фрэнсисом Пауэрсом, американское военное командование поняло, что безнаказанным шпионским полетам над территорией СССР пришел конец. Недостаток развединформации решено было восполнить за счет создания специального самолета радиоэлектронной и фоторазведки, который мог бы долгое время барражировать вдоль границ Советского Союза и стран Варшавского договора и получать необходимые разведывательные данные, не вторгаясь на их территорию. Такой самолет был построен на базе авиалайнера Боинг 707-320 и получил название RC-135. ВВС США приняли его на вооружение в 1964 г. RC-135 долгие годы держал в напряжении расчеты советской ПВО и дежурные экипажи истребительной авиации, регулярно появляясь и проводя свои шпионские миссии вблизи границ страны. Однако противодействовать RC-135 было очень сложно: формально он не вторгался на советскую территорию, а уничтожение его над нейтральными водами или сопредельными государствами могло привести к крупнейшему международному скандалу с легко прогнозируемыми последствиями.

Развитие радиоэлектронной техники в середине 60-х гг. прошлого века позволило подойти к созданию аналогичного разведывательного комплекса и в СССР. 27 марта 1965 г. вышло Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР, а 12 апреля того же года - и соответствующий приказ министра авиационной промышленности о разработке самолета комплексной разведки приграничной полосы без пересечения государственной границы. Работа поручалась ОКБ завода No.240, возглавлявшегося генеральным конструктором Сергеем Ильюшиным (с 1966 г. - Московский машиностроительный завод "Стрела", ныне - Авиационный комплекс им. СВ. Ильюшина). Самолет предлагалось делать на базе серийного авиалайнера Ил-18Д с четырьмя  турбовинтовыми двигателями АИ-20М,  располагавшего большой дальностью и продолжительностью полета и имевшего вместительный фюзеляж, что было необходимо для размещения комплекса специального оборудования и обслуживающего его тактического экипажа.

Ил-18Д представлял собой последнюю и наиболее совершенную модификацию семейства авиалайнеров Ил-18, находившихся в производстве с 1957 г. В отличие от предыдущей серийной версии Ил-18В, он оснащался более мощными и экономичными двигателями АИ-20М VI серии и дополнительными топливными баками, что обеспечивало ему увеличенную дальность полета. С максимальным запасом топлива она достигала почти 6400 км (у Ил-18В - 4850 км). Летные испытания Ил-18Д начались 26 июля 1965 г., и в том же году он был запущен в серийное производство на московском заводе "Знамя труда", сменив в цехах Ил-18В. Всего до 1969 г. было построено 122 самолета Ил-18Д, ставших последними серийными авиалайнерами данного типа. Именно Ил-18Д послужил основой для разработки всех последующих "военных" вариантов пассажирской машины.

Самолет-разведчик на базе Ил-18Д получил название Ил-20 или "изделие 20". Основным средством ведения разведки на этой машине стала радиолокационная станция бокового обзора "Игла", поэтому самолет нередко именовался Ил-18Д "Игла".

Некогерентная РЛС бокового обзора "Игла-1" разрабатывалась в СКБ-1 ленинградского НИИ радиоэлектроники (НИИ-131 Госкомитета СССР по радиоэлектронике, НИИРЭ Минрадиопрома СССР), преобразованного вскоре во Всесоюзный научно-исследовательский институт радиоэлектронных систем (ВНИ-ИРЭС), а затем вошедшего в состав НПО (ныне - холдинговой компании) "Ленинец". Главным конструктором станции стал В.М. Глушков, его заместителем - СЕ. Конторов.

Помимо собственно РЛС, комплекс радиолокационного оборудования "Игла-1" самолета Ил-20 включал в себя средства радиотехнической и фоторазведки, сопряженные с навигационным оборудованием самолета. Комплекс позволял получить детальное радиолокационное изображение, по качеству близкое к аэрофотосъемке, но в любых метеоусловиях, и, кроме того, вести радиотехническую разведку и аэрофотосъемку.

Антенну РЛС "Игла" разместили на Ил-20 в большой (длина - около 8 м) подфюзеляжной гондоле сигарообразной формы, установленной между шпангоутами No.8 и 27. Нижняя часть гондолы была выполнена радиопрозрачной. Блоки РЛС размещались в переднем багажном отсеке фюзеляжа.

Помимо перспективной радиолокационной разведки местности с помощью аппаратуры "Игла" Ил-20 мог вести и традиционную аэрофотосъемку. Для этого он оснащался комплектом аэрофотоаппаратов А-87П, размещенных по обоим бортам передней части фюзеляжа в зоне передней пары иллюминаторов. Объективы фотоаппаратов располагались под сдвижными шторками на двух боковых обтекателях - другой характерной внешней особенности Ил-20. В задней части этих обтекателей монтировались антенны системы общей радиотехнической разведки "Ромб", служившей для обнаружения радиолокационных средств противника, определения направления на источник излучения и его частоты.

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 No.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. СВ. 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.

Вслед за Ил-20 появился модернизированный Ил-20М. Экипаж Ил-20М состоит из тринадцати человек; восемь операторов разведаппаратуры дополняют обычных пилотов, штурмана, бортинженера и радиста. В распоряжении операторов достаточно солидный набор средств разведки - не только радиотехнической, но и оптической.

Передний салон отдан оператору аэрофотоаппаратов А-87П. установленных по обоим бортам в месте расположения первой пары окон. Для их объективов в обшивке были сделаны фотоокна, закрытые оптическими стеклами. Впрочем, увидеть фотоокна не просто, поскольку они располагаются под обтекателями, а использование фотоаппаратуры обеспечивается при открытии специальных шторок.

Задняя часть этих же обтекателей служит для размещения антенн станции РТР "Ромб-4", позволяющую осуществлять общую разведку радиолокационных средств (направление на источник, рабочая частота). Кроме того, в передней части правого обтекателя расположен воздухозаборник воздухо-воздушного радиатора системы охлаждения блоков станции "Игла".

Помимо "Ромба", самолет оснащен станцией РТР "Квалрат-2" (антенны в нижней части фюзеляжа за крылом) для детальной разведки (помимо направления и частоты, отслеживались такие параметры, как частота следования импульса, скважность, мощность излучения, и другие). Станция перехвата открытых переговоров "Вишня" (антенны над передней частью фюзеляжа) обслуживается особым оператором, не только хорошо знающим соответствующий иностранный язык, но и ориентирующимся в тонкостях слэнга военного радиообмена.

Для повышения достоверности информации разведка ведется одновременно по нескольким каналам, что позволяет уточнять данные, полученные от "Иглы" при помощи АФА, или наоборот, подтверждать результаты работы "Квадрата" радиолокационной картинкой той же местности.

"Квадрат", "Ромб", "Игла" и другую разведаппаратуру обслуживают семь операторов, работающих в основном салоне самолета.

В связи с установкой многочисленного оборудования, конструкция фюзеляжа была частично усилена, а уменьшение числа "обитателей" вызвало демонтаж большей части бытового оборудования и помещений (туалеты, гардероб, буфет).

Вместе с тем специфика применения Ил-20М обусловила изменения в кислородном и спасательном оборудовании. Все кресла экипажа приспособлены для размещения парашюта, а с правой стороны, на месте люка заднего багажного отсека, оборудован люк аварийного покидания самолета, соединенный с основным салоном шахтой. (Впрочем, "огрызок" от бывшего люка багажного отсека остался).

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-А.

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.

7 декабря 1995 г. Ил-20М привлекался для поисков в Татарском проливе обломков разбившегося пассажирского самолета Ту-154Б No.85164 Хабаровского авиаотряда, куда он, взлетев с Сахалина, по первым предположениям мог упасть.

Применялся самолет и в ходе боевых действий в Афганистане.

8  90-е гг. из-за старения бортовой радиоэлектронной аппаратуры Ил-20М стали сниматься с боевого дежурства, однако должной замены им так и не последовало. Частично заменить Ил-20М могли самолеты комплексной воздушной разведки из состава Дальней авиации, созданные на базе Ту-22Р и Ту-22МЗ. Однако устаревшие Ту-22РДМ также в 90-е гг. были сняты с вооружения, а современные Ту-22МР поступили в строевые части в крайне ограниченном количестве. В результате сегодня основной объем задач комплексной воздушной разведки в ВВС России решают самолеты фронтовой авиации Су-24МР и МиГ-25РБ (с различными вариантами оснащения). В тоже время некоторое количество Ил-20М по-прежнему еще остается в строю. Правда с 90-х гг. многие из них чаще всего привлекаются исключительно для транспортных перевозок. Некоторые из этих машин, располагающие большим летным ресурсом, прошли соответствующее переоборудование и превратились в "обычные" Ил-18.