Dekrety nakazujące budowę samolotu, stały się również podstawą do uruchomienia prac nad wyposażeniem zadaniowym nowej konstrukcji. Radar obserwacji bocznej, jaki miał wejść w skład czujników pokładowych, o nazwie Igła, z fazowaną anteną, powstał na bazie cywilnego radaru Toros przeznaczonego dla samolotu rozpoznania lodowego An-24ŁR. Igłę opracowano w latach 1965–1967 w Specjalnym Biurze Konstrukcyjnym Nr 1, będącym częścią Instytutu Naukowo-Badawczego Radioelektroniki (później Zjednoczenie Naukowo-Produkcyjne "Leniniec").
Gotowy prototyp, już oznaczony jako Ił-20, do swojego pierwszego lotu wzbił się w powietrze 21 marca 1968 roku. Na pokładzie nie było jeszcze docelowego wyposażenia, ale maszyna obudowana była już owiewkami, w których miały znaleźć się przewidywane systemy i urządzenia. Próby zakładowe samolotu, wyposażonego już w docelowe systemy trwały od grudnia 1968 roku do sierpnia 1969, a po ich zakończeniu podjęto decyzję o produkcji seryjnej samolotu. Pierwsza seryjna maszyna ukończona została pod koniec 1969 roku. W lutym 1970 roku, prototyp z fabryczną załogą, wziął udział w ćwiczeniach wojskowych "Dwina-70".