Gbagbo, 65 år, hade anklagats för att ha undergrävt statens säkerhet.
Hennes man, f.d. Ivorianske president Laurent Gbagbo, väntar på rättegång i Internationella brottmålsdomstolen (ICC).
Mer än 3000 människor dog i det våld som följde på presidentvalet efter att f.d. ledare vägrade att acceptera nederlag för Alassane Ouattara.
Hon och hennes man arresterades 2011 efter trupper stormade en bunker där paret hade tagit sin tillflykt i huvudstaden, Abidjan.
Och det var i samma stad där Gbagbo - en gång kallade "Iron Lady" och känd för sina eldiga tal - ställdes inför rätta. Hon anklagades också för att störa den allmänna ordningen och organisera beväpnade gäng.
Hon förnekade vittneskonton som anklagade henne för att personligen dela ut vapen till dödspatrullerna som opererade i Abidjan under fem månaders konflikt.
Domstolen dömde henne enhälligt till 20 år, vilket är straffet för att ha undergrävt statens säkerhet.
Åklagarsidan hade bara bett om tio år - men det hade bara varit för anklagelsen att störa den allmänna ordningen.
BBC:s Ali Bamba i Abidjan säger att domen avkunnades tidigt på tisdag morgon efter åtta timmars överläggning av juryn.
Den tidigare första damen förblev lugn, som hon hade varit under hela rättegången, nästan som om hon visste vad som skulle komma, säger han.
Hennes dotter från ett tidigare äktenskap, Marie Antoinette Singleton, berättade för BBC:s Newsday-program att domen var orättvis och ett tecken på "politisk rättvisa".
"Varför skulle du vilja dubbla det? Det handlar inte om rättvisa, det handlar om att bli av med politiska motståndare.
"Om vi säger att något fel hände, hände det på båda sidor. Ingen tittade på att få alla ansvariga parter inför rätta, sade hon.
Simone Gbagbos advokat sa att de skulle överklaga.
"Jag väntade mig att Simone skulle frikännas," Rodrigu Dadje berättade BBC franska tjänsten.
"Det finns inga bevis på hennes inblandning på en personlig nivå" "jag skäms för det ivorianska rättssystemet."
Den tidigare första kvinnan ställdes inför rätta tillsammans med 82 andra anhängare av hennes man, av vilka 15 frikändes.
Två tidigare militära allierade fick också 20-åriga fängelsestraff: Gen Bruno Dogbo Ble, en gång chef för republikens gard, och ex-navhövdingen Adm Vagba Faussignaux.
Den andre anklagade fick mindre straff.
Innan hon dömdes hade Simone Gbagbo sagt att hon förlät åtalet, trots den förödmjukelse hon hade lidit under rättegången.
"Jag förlåter eftersom, om vi inte förlåter, detta land kommer att brinna", sade hon.
Båda sidor anklagades för illdåd i den konflikt som följde på 2010 års opinionsundersökning.
Men vår korrespondent säger trots ett löfte från president Alassane Ouattara att båda sidor skulle ställas inför rätta, har ingen i presidentens läger åtalats.
Laurent Gbagbo står inför fyra åtal vid ICC i Haag, inklusive mord, våldtäkt och förföljelse.
ICC hade utfärdat en arresteringsorder för Simone Gbagbo också, men detta avfärdades av den ivorianska regeringen.
Elfenbenskustens tidigare första dam, Simone Gbagbo, har dömts till 20 års fängelse för sin roll i det våld som följde på valet 2010.