16日、伊20は横須賀を出港し、呉に移動。4月16日、第一潜水隊の僚艦、伊10、伊30と共に甲先遣隊を編成し、呉を出港。18日、ドーリットル空襲を受け、小笠原諸島北方沖にいる米機動部隊の迎撃のために北東へ向かったが、空振りに終わった。27日、ペナンに到着し、水上機母艦日進により運ばれてきた甲標的を搭載。30日、伊30を除いた部隊は特設巡洋艦報国丸（大阪商船、10,438トン）、愛国丸（大阪商船、10,437トン）と共にペナンを出港。5月5日、10日、15日に報国丸、愛国丸から給油を受けた後、2隻と別れた。17日、波浪により機関室に浸水。排水作業を行った後、再度機関室に浸水するも、任務を続行した。20日、伊10の搭載機がダーバンを飛行偵察。30日、伊10の搭載機がマダガスカル島ディエゴ・スアレスを飛行偵察し、戦艦1他多数の艦船の在泊を報告してきた。31日1740、ディエゴ・スアレス港の攻撃を行うべく、ディエゴ・スアレス沖10浬の地点で秋枝三郎大尉、乗組員竹本正巳一等兵曹を乗せた甲標的を発進させる。搭載艇は2025に英戦艦ラミリーズへ向け魚雷1本を発射。魚雷はラミリーズの左舷A砲塔前部に被雷し、前部15インチ砲の弾薬庫などが浸水した。2120、英コルベットジェニスタ（）、タイム（）が爆雷攻撃を行う中、英タンカーブリティッシュ・ロイヤルティ（British Loyalty、6,993トン）に向け、残る魚雷1本を発射。魚雷は命中し、ブリティッシュ・ロイヤルティは沈没した。その後艇がノシ・アレス島に座礁したため搭乗員は艇を放棄してマダガスカル島アンタラブイ近くに上陸し、6月2日に会合地点付近のアンドラナボンドラニナという小集落でイギリス軍部隊との銃撃戦により戦死した。6月3日、伊20は浮上して搭載艇と接触をとろうとしたが、失敗に終わった。5日、の地点でパナマ貨物船ジョンズタウン（Johnstown、5,086トン）を発見し、雷撃により撃沈。8日、の地点でギリシャ貨物船フリストス・マルケトス（Christos Marketos、5,209トン）を発見し、雷撃により撃沈。11日、の地点で、英貨物船マーロンダ（Mahronda、7,926トン）を発見し、雷撃により撃沈。12日、の地点で、パナマ貨物船ヘレニック・トレーダー（Hellenic Trader、2,052トン）を発見し、砲撃により撃沈。同日、の地点で、英貨物船クリフトン・ホール（Clifton Hall、5,063トン）を発見し、雷撃により撃沈。17日、報国丸、愛国丸との会合点に到着し、燃料と食糧の補給を受けた。29日、の地点で、アデンからロレンソ・マルケスへ向かっていたノルウェー貨物船ゴヴィケン（Goviken、5,063トン）を発見し、雷撃。魚雷が命中した同船は20分で沈没した。30日、の地点で、英タンカーステアウア・ロマナ（Steaua Romana、5,311トン）を発見し、主砲弾15発を発射して1発を命中させた。そのうち、ステアウア・ロマナが反撃してきたため、潜航して九五式酸素魚雷を発射するも、魚雷は早爆した。ステアウア・ロマナは煙幕を張りながら逃げようとするも、伊20はそれをものともせず魚雷を発射。魚雷は命中し、ステアウア・ロマナは沈没した。その後、伊20は連合軍の無線通信を傍受してステアウア・ロマナの船名を確認した。7月5日、魚雷の早爆の原因を探るため、九五式酸素魚雷1本を分解して調査した。21日、アデン湾に進出して哨戒を行い、同日中に哨戒区域を離れた。8月5日、ペナンに到着。その後、ペナンを出港する。23日、横須賀に到着し、整備を受ける。