De BA-20 zag voor het eerst actie tijdens de Spaanse Burgeroorlog. De meeste van de voertuigen kwamen echter in dienst bij het Rode Leger. In 1939 werd zij ingezet in de strijd tegen Japan in de Slag bij Halhin Gol in Mongolië. Bij de Winteroorlog tegen de Finnen en bij de inval in Polen in 1940 werd het ook ingezet. De Finnen hebben diverse voertuigen buitgemaakt en weer gebruikt tegen de Russen. In de zomer van 1941 werd het nog gezien tegen de Duitse inval, maar verdween al snel van het strijdtoneel. Begin 1942 werd de productie gestaakt. In totaal zijn zo’n 4.800 exemplaren gemaakt. De BA-20 en BA-20M werden opgevolgd door de BA-64.