Основными особенностями внешнего вида самолета Ил-20, выделявшими его среди других модификаций самолета Ил-18, было наличие обтекателей по обоим бортам передней части фюзеляжа и большой подфюзеляжной гондолы длиной около 8 м. В фюзеляже самолета переднюю часть пассажирской кабины занимали установленные по бортам аэрофотоаппараты А-87П для перспективной съемки через фотоокна с оптическими стеклами, которые находились в передней части боковых фюзеляжных обтекателей и закрывались дистанционно управляемыми створками, открывающимися при фотографировании. Задняя часть этих обтекателей использовалась для размещения антенн станций общей радиотехнической разведки «Ромб-4». В подфюзеляжной гондоле установили антенны радиолокационной станции бокового обзора «Игла-1» с высокой разрешающей способностью — первой советской РЛС, оснащенной фазированной антенной решеткой. В других небольших обтекателях над верхней передней частью фюзеляжа и снизу его хвостовой части разместили антенны станций радиоперехвата открытых переговоров «Вишня» и детальной радиотехнической разведки «Квадрат-2». Всю аппаратуру обслуживали шесть операторов, рабочие места которых располагались в передней и средней кабинах фюзеляжа. В задней кабине была комната отдыха с двухблочными пассажирскими креслами и буфет. К комнате отдыха примыкали помещения гардероба и туалета.
В случае необходимости летный экипаж, состав которого был обычным для самолетов Ил-18, и операторы могли покинуть самолет Ил-20 через аварийный люк, расположенный на правом борту в задней кабине.
Первый полет опытного самолета Ил-20 провел экипаж под командованием ведущего летчика-испытателя С.Г. Близнюка 21 марта 1968 г. По отзывам летчиков, управление самолетом было легкое, удобное и практически не отличалось от управления пассажирским самолетом Ил-18. Тем не менее выявились особенности поведения самолета, связанные с уменьшением запаса путевой статической устойчивости из-за наличия подфюзеляжной гондолы с большой боковой поверхностью.