Задачами полёта были: автоматическая стыковка с орбитальной станцией «Салют-4», испытание новых бортовых систем на предмет продления ресурса корабля до 90 дней в состыкованном со станцией виде (вместо базовых 60 дней), а также исследования жизнедеятельности некоторых живых организмов в условиях невесомости.
Изначально корабль предполагался для экспедиции посещения на станцию «Алмаз». Но из-за технических проблем станция не была запущена вовремя, а полёт отменён. 19 ноября 1975 г. корабль в автоматическом режиме состыковался с «Салютом-4». Совместный полёт продолжался 90 суток. 16 февраля 1976 г. «Союз-20» отстыковался от станции и совершил успешную посадку[1]. Ресурсные испытания корабля 7К-Т в составе ДОС «Салют-4» прошли без замечаний и подтвердили увеличенный полётный ресурс корабля.
16 февраля 1976 года в 02:24:00 по московскому времени Союз-20 благополучно совершил посадку на Землю.