Заложена 25 августа 1933 года на заводе № 198 в Николаеве под строительным номером 262. 17 марта 1934 года «М-20» спущена на воду и 16 июня 1934 года по железной дороге отправлена во Владивосток, где на заводе № 202 (Дальзавод) окончательно достроена. 23 сентября 1934 года подводная лодка вступила в строй и под командованием Никулина Василия Тимофеевича вошла в состав Морских сил Дальнего Востока. 26 декабря 1940 года «М-20» под командованием старшего лейтенанта Алексеева Евгения Николаевича вместе с лодками «М-2», «М-19» и «М-24»«М-2», совершила первое в истории групповое плавание подводных лодок подо льдом.
    9 августа 1945 года подводная лодка встретила под командованием капитан-лейтенанта Борового Владимира Алексеевича в составе 7-го дивизиона 2-й бригады ПЛ. В боевых действиях не участвовала.
    28 ноября 1950 года «М-20» выведена из боевого состава и законсервирована, а 28 августа 1951 года исключена из состава ВМФ и сдана Отделу фондового имущества для демонтажа и реализации. 8 сентября 1951 года расформирована.