2009年，中航集团表示将有一款达200吨级的飞机亮相，2012年底，中国国防部通过新闻发布会证实了运-20项目。
2013年1月26日，运-20首次飞行测试成功，并且获得了中国官方媒体广泛地报道，于电视新闻报道于当日播出。从视频中可以看出运-20尾翼与C-17类似，发动机与伊尔-76改进型使用的型号类似，具有反推力装置。
2013年4月20日，继运20首飞不到90天后，国产运-20大型运输机于在西部某试验基地进行了第二次试飞。运-20的第二次成功试飞表明其各项关键技术更趋成熟。
2013年12月16日，运-20的第三架原型机也成功地完成了首飞测试。2014年建军节前夕，该原型机换上灰色涂装，并编为783号。
2014年9月29日，运-20全机破坏试验取得成功。该次试验成为当时中国国内规模最大、技术难度最大、试验风险最高的地面验证试验。
