Заложена 30 сентября (по другим данным 30 ноября) 1939 года на заводе № 196 (Судомех) в Ленинграде под стапельным номером 133. 14 марта 1941 года подводная лодка спущена на воду. Осенью 1941 года корабль, находящийся в достаточно высокой степени технической готовности переведен на Каспий, где на заводе № 638 (им.Сталина) в Астрахани проводилась его окончательная достройка.

    25 февраля 1945 года «С-20» под командованием капитан-лейтенанта Оболенцева Ефима Павловича вступила в строй и вошла в состав Каспийской военной флотилии. 5 апреля 1945 года корабль начал переход на Север, но в пути перечислен на Балтику, и в сентябре 1945 года прибыл в Кронштадт.

    17 февраля 1956 года подводная лодка выведена из боевого состава и переквалифицирована в опытовую. Летом 1956 года по Беломоро-Балтийскому каналу она переведена в Северодвинск.

    Обеспечивала испытания ядерного оружия в районе Новой Земли. Потоплена подводным ядерным взрывом в бухте Черная 10 октября 1957 года, 1 марта 1958 года исключена из списков ВМФ СССР.