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。