X-20 var designet som et 11 meter langt bemannet gjenbrukbart romfartøy. Flyet ble bygd av Rene 41, en stållegering som tåler høye temperaturer. Det hadde sterkt bakovervinklede deltavinger (72,48°) med 6,2 meters vingespenn. Nesepartiet var bygd av komposittmateriale bestående av grafitt og zirkonium, og fremkantene og undersiden av vingene var av molybden kledd med varmeskjold. Landingsunderstellet var 3 utfellbare skinner, og var designet for å kunne lande på u-asfalterte landingsstriper med lengde helt ned til 2 400 meter. For å manøvrere flyet mens det var utenfor atmosfæren, skulle X-20 utstyres med små rakettdyser på vingene og på halen.