После пресечения воздушных разведывательных операций непосредственно над территорией Советского Союза (уничтожение самолета-разведчика фирмы Lockheed U-2 в мае 1961 года и высотных автоматических дрейфующих аэростатов) ВВС США стали вести интенсивную воздушную разведку вдоль границ СССР с помощью самолета радиоэлектронной и фоторазведки RC-135, созданного на базе пассажирского самолета Boeing 707-320. Этот самолет, принятый на вооружение ВВС США в 1964 году, обеспечивал радиоперехват при работе средств связи, определял месторасположение и рабочие частоты радиолокационных станций, осуществлял перспективное фотографирование объектов по другую сторону границы.

Весной 1965 года было принято решение о создании аналогичного разведывательного самолета в СССР на базе пассажирского самолета Ил-18Д, большая дальность полета и вместительный фюзеляж которого позволяли создать такую машину в короткие сроки и с минимальными затратами. Как и RC-135, отечественный самолет, получивший обозначение Ил-20, предназначался для комплексной разведки приграничной полосы без перелета государственной границы. Для решения этих задач был создан специальный комплекс средств разведки, аппаратуру которого разместили в пассажирской кабине самолета и его багажных отсеках на нижней палубе.

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. 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. 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.

Первый полет опытного самолета Ил-20 провел экипаж под командованием ведущего летчика-испытателя Близнюка в марте 1968 года. По отзывам летчиков, управление самолетом было легкое, удобное и практически не отличалось от управления пассажирским самолетом Ил-18. Начиная с 1970 года самолет принимал участие в различных учениях, проводя оперативно-тактическую авиационную разведку. Работа самолета получила высокую оценку, и он был принят на вооружение ВВС.

Для обеспечения испытаний баллистических и космических ракет нужна была телеметрическая летающая лаборатория (самолетный измерительный пункт). В 1961 году на базе серийных самолетов Ил-18В было оборудовано два самолета Ил-18РТ. Для размещения измерительного комплекса сняли все пассажирские кресла в среднем салоне и оборудовали места для 15 операторов. Для записи принимаемой информации использовалась аппаратура регистрации на магнитной ленте. Самолеты были буквально утыканы антеннами разных типов, особенно выделялись антенны аппаратуры спецсвязи "Арфа" на законцовках стабилизатора. После сдачи Ил-18РТ в эксплуатацию они базировались под Архангельском, обеспечивая испытания ракетной и космической техники.

В 1971 году начались испытания варианта Ил-20РТ на базе Ил-20. Антенны аппаратуры разместили под громадным по тем временам обтекателем над фюзеляжем и хвостовым обтекателем. В состав экипажа входило шесть специалистов летного состава: два пилота, радист, борттехник, бортинженер и инженер по электрооборудованию, и пять операторов бортового измерительного комплекса. Всего было построено четыре самолета Ил-20РТ. Самолеты обслуживали пуски баллистических и крылатых ракет, обеспечивали посадки капсул и спускаемых аппаратов со спутников фоторазведки.