Samolot mógł pomieścić ośmioosobową załogę i 72 pasażerów, ale jego głównym zadaniem nie była komunikacja lotnicza – na pokładzie znajdowała się drukarnia do powielania ulotek zrzucanych podczas lotu, projektor do wyświetlania przezroczy i filmów na chmurach lub zasłonie dymnej, laboratorium fotograficzne oraz olbrzymi głośnik do przekazywania treści propagandowych na dużym obszarze.
ANT-20 (pierwotnie oznaczony jako TB-4) został oblatany 17 czerwca 1934, po czym rozpoczął pracę agitacyjną w sierpniu 1934 i wykonał wiele lotów nad Moskwą i jej okolicami. Ustanowił przy tym kilka rekordów lotniczych udźwigu. W tym czasie był to największy samolot świata. 18 maja 1935 odbył ostatni lot na paradzie nad Moskwą, w otoczeniu trzech mniejszych samolotów. Podczas tego lotu, pilot towarzyszącego mu myśliwca I-5 Nikołaj Błagin próbował wykonać pętlę wokół skrzydła Maksyma Gorkiego. Uderzył w nie, w wyniku czego obie maszyny runęły na ziemię. Zginęły wówczas 52 osoby na pokładzie Gorkiego, w tym 33 członków rodzin konstruktorów, 7 osób na ziemi oraz Błagin. Według oficjalnej wersji podanej przez władze radzieckie, pilot lekkomyślnie wykonał nieplanowaną figurę akrobacji.