Samoloty zorganizowane były w samodzielne klucze liczące zwykle po dwa samoloty. Operując z bazy w NRD i w Polsce (maszyny stacjonowały w Legnicy) samoloty rozpoznawały zachodnie granice państw Układu Warszawskiego. Bazując w Tbilisi samoloty patrolowały południowo-zachodnie granice. Na dalekim wschodzie Ił-20 operował z bazy w Chabarowsku. Pierwsze doniesienia o nowym radzieckim samolocie rozpoznawczym pojawiły się na zachodzie w 1978 roku, kiedy to po raz pierwszy zaobserwowano samolot podczas jego lotów nad Bałtykiem. Wtedy również otrzymał swoje oznaczenie kodowe Coot-A. Samoloty pojawiły się również nad Afganistanem podczas radzieckiej interwencji w tym kraju. Ił-20 wziął również aktywny udział w akcji mającej na celu zlikwidowanie Dżochara Dudajewa w 1996 roku podczas I wojny czeczeńskiej. W działaniach nad Czeczenią okazało się, że aparatura nasłuchowa zamontowana na samolocie radzi sobie dużo gorzej niż cywilne urządzenie skanujące AOR AR-2800. Kosztujący kilkaset dolarów aparat został zakupiony i trafił na wyposażenie Ił-20. W latach 90 XX w. samoloty ze względów finansowych i zużycia były coraz mniej używane. Wraz z nastaniem władzy Władimira Putina i dzięki zwiększeniu pieniędzy na obronność w XXI w., po modernizacji Iły zwiadu elektronicznego ponownie wykonują zadania do dnia dzisiejszego. W ostatnim czasie coraz częściej pojawiają się doniesienia o aktywności tych samolotów.