Пушка-гаубица Д-20 была разработана сразу после окончания Второй мировой войны в ОКБ-9 Ф. Ф. Петрова; она должна была заменить довоенную 152-мм гаубицу-пушку МЛ-20 образца 1937 года.
Длина ствола орудия - 5 метров. Д-20 стала первой 152-мм орудийной системой с полуавтоматическим клиновым затвором с вертикальным перемещением клина.
Также, это орудие в модификации Д-22 (индекс ГРАУ — 2А33) было использована для САУ 2С3 «Акация».
Промышленное производство Д-20 началось только в начале 50-х годов, и впервые пушка была показана в 1955 году.
Основным отличием Д-20 от Д-1 является выбор боеприпасов. Из Д-20 по-прежнему можно стрелять большинством типов боеприпасов Д-1, но у нее есть собственное семейство боеприпасов.
Д-20 стала одной из первых советских артиллерийских систем, способных вести огонь тактическими ядерными боеприпасами. Также имелся большой выбор химических боеприпасов (в настоящее время снятых с вооружения).
Усовершенствованная система метательных зарядов изменяемой мощности позволила увеличить максимальную дальность выстрела Д-20 до 17 410 метров, а применение активно-реактивного снаряда позволяет довести дальность до 24 000 метров.
Одним из последних нововведений является использование противотанкового снаряда с наведением по лазерному лучу «Краснополь» весом 50 кг.