В марте 1954 г. началось проектирование первой в СССР стратегической авиационной системы ракетного оружия "Комета-20" (К-20). Головным предприятием стало ОКБ-156 (носитель на базе самолета Ту-95), самолет-снаряд разрабатывало ОКБ-155, а систему управления - КБ-1 Минобщемаша, которое с 1953 г. возглавлял В.М. Шабанов.

Ведущим конструктором по Х-20 стал М.И. Гуревич. В создании самолета-снаряда был использован опыт первых сверхзвуковых истребителей МиГ-19, И-7 и других. Проектируемое изделие сохранило их компоновку. В качестве силовой установки использовали новейший турбореактивный двигатель АЛ-7Ф. Как и на самолетах того периода, на новом изделии нашли применение самые современные материалы, в том числе высокопрочный алюминиевый сплав В-95, магниевое литье МЛ-5, свариваемые алюминиевые сплавы АМГ-3 и 6. Освоение процесса сварки этих сплавов позволило снизить массу изделия, отказавшись от применения стали в конструкции самого объемного топливного бака.

С производством баков связано также создание новых технологий изготовления сложных конструкций из топливостойкой резины НО-68 и ткани-арматуры АКР, для чего применялись сборные пуансоны и вакуумные вулканизационные котлы, с высокой точностью выдерживавшие рабочие температуры. Большую работу пришлось провести при отработке крупногабаритного магниевого литья и прессовой клепки заклепками большого диаметра - до 8 мм.

На начальном этапе предполагалось применить систему управления в виде программируемого автопилота, однако, в конце концов, самолет-снаряд получил радиокомандную аппаратуру ЯР и автопилот ЯК. В качестве БЧ был предложен заряд с термоядерным усилением РДС-6с (изд. 6с). мощностью 400 кг ТЭ, разработанный в КБ-11 МСМ. Он имел ряд эксплуатационных ограничений, обусловленных несовершенной "слоистой" компоновкой.

Весной 1955 г. завод "18 МАП начал переделку двух Ту-95 в ракетоносцы. На них смонтировали радиометрическую станцию управления ЯД, балочный держатель БД-206, который для пуска ракеты выдвигался вниз, систему проверки аппаратуры и запуска двигателя, а также бак для пускового топлива снаряда. Фюзеляжные баки носителя частично были демонтированы или перекомпонованы, машину облегчили за счет снятия бомбардировочного и части навигационного оборудования. 1 января 1956 г. первый опытный Ту-95К вышел на испытания.

Для отработки системы наведения в ОКБ-155 было переоборудовано 4 самолета МиГ-19. Первые два - СМ-20/I и СМ-20/II предназначались для опробования средств подвески, запуска двигателя и аппаратуры управления непосредственно во взаимодействии с носителем. Они имели систему подвески и могли стартовать с борта Ту-95К. Первый старт СМ-20/I с борта носителя выполнил Амет-Хан Султан осенью 1956 г. На СМ-20, в частности, была решена проблема запуска двигателей после длительного полета на большой высоте со значительным переохлаждением силовой установки. Самолеты СМ-К/1 и СМ-К/2 предназначались для юстировки системы управления изделия и стартовали с земли, входя в луч станции ЯД самостоятельно.

17 марта 1958 года начались испытания натурного снаряда К-20 (Х-20). Они прошли не без проблем, в частности первый пуск оказался неудачным, дальность и точность получились значительно ниже заданных. Отчасти причиной падения ЛТХ было то, что масса БЧ и блоков системы наведения превысила лимиты. По результатам испытаний был расширен воздухозаборник, изменено реактивное сопло и доработана система запуска двигателя.

С 15 октября 1958 по 1 ноября 1959 г. прошли Государственные испытания системы. В их рамках провели 16 пусков, из которых 11 признали успешными, хотя фактически требования по точности выполнены небыли. Кроме того, не испытывалась взрыватели СБЧ. В связи с этим 16 и 23 марта провели еще 3 пуска и 9 сентября I960 г. система К-20 (с начала 60-х гг. был введен термин "авиационно-ракетный комплекс") была принята на вооружение.

Выпуск Х-20 вначале планировали развернуть на заводе в Дубне, однако он был загружен опытным производством, и там построили только первые серии изделия. Затем строить самолет-снаряд хотели на столичном заводе " 23, где завершалась постройка бомбардировщиков 3М. В конце концов, производство Х-20 было развернуто на заводе " 86 в Таганроге. Первоначально по существующим нормам поддерживался боезапас из двух Х-20 на каждый Ту-95К, а в последние годы эксплуатации ў по одному. После решения ряда вопросов, связанных с обеспечением качества серийной продукции, ОКБ-155 за создание самолета-снаряда Х-20 было награждено Ленинской премией за 1963 г.

Серийная ракета, названная Х-20М, была оснащена более совершенной двухступенчатой термоядерной БЧ изд. 37д мощностью 3 Мт ТЭ (2,9 Мт по данным испытаний 6.10.57 г.). 29 августа 1959 г. первые серийные ракетоносцы Ту-95К прибыли на авиабазу Узин. Ими начал перевооружаться 1006 ТБАП 106-й ТБАД ДА. Затем Ту-95К получили 1226-й полк (79-я ТБАД), а также 182-й Гвардейский Краснознаменный Севастопольско-Берлинский ТБАП и 409-й ТБАП, входящие в 106-ю ТБАД. Всего было построено около 40 самолетов Ту-95К, а затем 25 оснащенных штангой дозаправки Ту-95КД. Для них постоянно имелось 130 самолетов-снарядов Х-20М, а в хранилищах РТБ находилось такое же количество боевых частей.

Вначале система К-20 предназначалась для нанесения ответного удара по важнейшим стратегическим объектам в глубине территории США. Но низкая эксплуатационная технологичность (в начальный период эксплуатации системы на подготовку и подвеску ракеты требовалось 22 часа) и жесткие ограничения по условиям хранения термоядерных БЧ первого поколения сделало невозможным ведение постоянного боевого дежурства. В связи с этим функции основного средства ядерного противодействия отошли к баллистическим ракетам, а для Ту-95К остались цели, которые выживут после ракетного удара и авианосные группировки в Океане. По требованию Заказчика были проведены специальные испытания, которые должны были подтвердить возможность поражения АУГ ракетой Х-20М. Не смотря на то, что успех в полном объеме не был достигнут, развертывание системы К-20 продолжалось. В частности намечалось выпустить модификацию самолета М-4, оснащенную этим оружием. Но из-за больших размеров ракеты это сделать не удалось.

По ходу эксплуатации ракета и особенно носитель постоянно совершенствовались. Самолеты Ту-95КД были оснащены новым оборудованием и получили индекс Ту-95КМ (комплекс Ту-95К-20). В ходе освоения время подготовки ракеты было снижено до четырех часов, и существенно повысилась ее надежность. Но оставались и недостатки, в частности автосопровождение было неустойчивым и наведение чаще всего выполнялось вручную. Командная радиолиния была подвержена воздействию организованных помех, хотя американцы долгое время считали, что Х-20, как и их AGM-28, оснащена автономной инерциальной системой наведения и не применяли средства РЭБ на частотах канала наведения станции ЯД.

На базе снаряда Х-20 планировалось создать высотную сверхзвуковую мишень М-20, но этому помешала высокая стоимость изделия.

До семидесятых годов снаряд Х-20, совершавший полет на высоте 15 км с числом М=2 был трудной целью для ПВО. Но с появлением истребителей 4-го поколения и новых ЗРК он потерял шансы на прорыв вражеской ПВО. На рубеже восьмидесятых годов самолеты Ту-95К начали оснащать ракетным комплексом К-22 с повышенными характеристиками, что было завершено в середине 80-х гг.