20-я армия первого формирования создана в июне 1941 г. в Орловском военном округе. В армию вошли 61-й, 69-й стрелковые и 7-й механизированный корпуса, 18-я стрелковая дивизия, ряд артиллерийских и других частей. 26 июня армия была включена в состав группы армий Ставки Главного Командования.

2 июля армия передана в состав Западного фронта и вела оборонительные бои в Белоруссии. Ее механизированный корпус 6 июля участвовал во фронтовом контрударе севернее Орши. До середины июля войска армии удерживали оборонительные рубежи в районах городов Орша, Рудня и сковывали крупные силы противника, наступавшие на Смоленск. В июле-сентябре армия участвовала в Смоленском сражении. В ходе наступления на Смоленск в конце июля оказалась в окружении. После его прорыва войска армии соединились с главными силами фронта. Затем ее соединения вели упорные оборонительные бои южнее Ярцево, прикрывая дорогобужское направление. В октябре армия принимала участие в Вяземской оборонительной операции, в ходе которой была окружена противником в районе западнее Вязьмы. Часть ее войск вырвалась из окружения и вышла на Можайскую линию обороны.

20 октября 1941 г. полевое управление армии расформировано, а войска переданы в другие объединения фронта.

Командующие: генерал-лейтенант Ремезов Ф.Н. (июнь-июль 1941 г.); генерал-лейтенант Курочкин П.А. (июль-август 1941 г.); генерал-лейтенант Лукин М.Ф. (август-сентябрь 1941 г.); генерал-лейтенант Ершаков Ф.А. (сентябрь-октябрь 1941 г.).

Член Военного совета корпусной комиссар Семеновский Ф.А. (июнь-октябрь 1941 г.).

Начальник штаба генерал-майор Корнеев Н.В. (июнь-октябрь 1941 г.).

20-я армия второго формирования создана 30 ноября 1941 г. на основании директивы Ставки ВГК от 29 ноября 1941 г. на базе оперативной группы полковника А.И. Лизюкова. Армия находилась в подчинении Западного фронта. В нее вошли 331-я и 352-я стрелковые дивизии, 28,35 и 64-я стрелковые бригады, 134-й и 135-й отдельные танковые батальоны, артиллерийские и другие части. В составе войск правого крыла фронта участвовала в Клинско-Солнечногорской наступательной операции, в ходе которой во взаимодействии с 16-й, 30-й и 1-й ударной армиями нанесла поражение главным силам 3-й и 4-й танковых групп противника, отбросив их на рубеж рек Лама, Руза и освободив ряд населенных пунктов, в том числе Волоколамск (20 декабря). В ходе Ржевско-Вяземской стратегической операции 1942 г. армия прорвала оборону противника на рубеже р. Лама и, преследуя его, к концу января вышла в район северо-восточнее Гжатска. В августе 1942 г. в рамках Ржевско-Сычевской наступательной операции армия провела Погорело-Городищенскую операцию. В последующем до марта 1943 г. во взаимодействии с другими войсками обороняла ржевско-вяземский рубеж. В марте ее войска участвовали в Ржевско-Вяземской наступательной операции. Затем до середины июля армия, находясь во втором эшелоне фронта, занимала оборонительный рубеж западнее и юго-западнее Вязьмы.

С 23 июля 1943 г. в резерве Ставки ВГК.

10 августа включена в состав Калининского фронта, а 1 сентября вновь выведена в резерв Ставки ВГК.

15 октября включена в состав Прибалтийского фронта (с 20 октября 2-й Прибалтийский фронт), 5 ноября выведена в резерв Ставки ВГК, 10 апреля 1944 г. включена в состав войск Ленинградского фронта.

На основании директивы Ставки ВГК от 18 апреля 1944 г. 21 апреля 1944 г. 20-я армия расформирована, ее полевое управление обращено на формирование полевого управления 3-го Прибалтийского фронта.

Командующие: генерал-лейтенант Власов А.А. (ноябрь 1941 г. — март 1942 г.); генерал-лейтенант Рейтер М.А. (март-сентябрь 1942 г.); генерал-майор Кирюхин Н.И. (октябрь-декабрь 1942 г.); генерал-лейтенант Хозин М.С. (декабрь 1942 г. — январь 1943 г.); генерал-майор, с 28 апреля 1943 г. генерал-лейтенант Берзарин Н.Э. (январь-март и август-сентябрь 1943 г.); генерал-майор Ермаков А.Н. (март-август и сентябрь 1943 г.); генерал-лейтенант Лопатин А.И. (сентябрь-октябрь 1943 г.); генерал-лейтенант Гусев Н.И. (ноябрь 1943 г. — апрель 1944 г.).

Члены Военного совета: дивизионный комиссар Куликов П.Н. (ноябрь 1941 г. — декабрь 1942 г.); дивизионный комиссар, с декабря 1942 г. генерал-майор Лобачев А.А. (ноябрь 1941 г. — апрель 1944 г.).

Начальники штаба: полковник, с декабря 1941 г. генерал-майор Сандалов Л.М. (ноябрь 1941 г. — сентябрь 1942 г.); генерал-майор, с февраля 1944 г. генерал-лейтенант Вашкевич В.Р. (сентябрь 1942 г. — апрель 1944 г.).