Во второй половине 1970-х годов разработали и начали серийное производство варианта Ил-20М. По сравнению с предшественником на нем, в частности, добавили одно рабочее место и расширили состав разведывательного оборудования. Постепенно ранее выпущенные Ил-20, находившиеся на территории СССР, были доработаны в вариант Ил-20М. Из первых серийных Ил-20 до наших дней сохранился лишь один, использующийся в качестве летающей лаборатории.

На борту воздушных пунктов управления Ил-22 для конспирации писали Ил-18

Один из первых серийных Ил-22

Применялся самолет и в ходе боевых действий в Афганистане. Экипажи Ил-20 постоянно выполняли разведывательные полеты над нейтральными водами Мирового океана, где неоднократно их «перехватывали» самолеты вероятного противника. Так, весной 1985 года самолет электронной разведки был встречен «Си Харриером» 801-й эскадрильи авиации ВМС Британии над Северной Атлантикой вблизи Норвегии.

31 августа 1993 года Ил-20М (командир – майор Иван Антипов), выполнявший «учебно-боевое задание», был условно перехвачен над нейтральными водами Японского моря сначала истребителями F-15 вооруженных сил Республики Корея, а затем самолетами японских сил самообороны, видимо, тоже решавших «учебные» задачи. Политики не упустили возможность заявить о нарушении российским самолетом границ Японии. Однако после расследования «инцидента» выяснилось, что экипаж Ил-20 этого не делал.

В декабре 1995 года Ил-20М привлекался для поисков пассажирского самолета Ту-154 над Татарским проливом, куда он, по первым предположениям, мог упасть, взлетев с Сахалина.

По образу и подобию Ил-18РТ впоследствии выпустили четыре самолетов Ил-20РТ. Первые два из них передали в эксплуатацию в 1975-м, а остальные осенью следующего года. Тогда же на аэродроме «Крайний» (г. Ленинск, космодром Байконур) сформировали отряд из Ил-20РТ, командиром которого назначили майора Г.П. Самуилова.

Экипаж Ил-20РТ состоял из 11 человек. Шесть из них – летный экипаж, включая бортинженера-электрика. Эксплуатацией радиотелеметрической и измерительной аппаратуры занимались два оператора и два инженера во главе с начальником СИПа.

«Боевая» работа Ил-20РТ началась в 1977 году, обеспечивая запуски космических аппаратов с Байконура и посадку спускаемых капсул разведывательных искусственных спутников Земли. Нередко СИПы привлекали для контроля пусков крылатых, баллистических и авиационных класса «воздух – поверхность» ракет, беспилотных самолетов-разведчиков.

Использовались Ил-20РТ для телеметрической связи с орбитальной станцией «Мир». В марте 1983 года два «ила», стартовав с одного из аэродромов вблизи туркменского г. Мары, пролетели над территорией Афганистана в сопровождении целого полка истребителей и провели сеанс телеметрической связи с беспилотным аппаратом «БОР-5» – свободно летающей моделью орбитального корабля многоразового использования «Буран». Задействовали Ил-20РТ и для сопровождения полета ракеты-носителя «Энергия» в обоих ее пусках.

Осенью 1989 года пару самолетов передали на Северный флот, затем два – на Тихоокеанский флот, но использовать их по назначению больше не пришлось. Ил-20РТ переоборудовали для перевозки пассажиров и грузов, и по крайней мере один из них продолжает эксплуатироваться на Северном флоте в новом для себя качестве.