月球20号（俄语：Луна 20）是苏联的第一个月球探测计划“月球计划”的第35颗无人月球探测器，于1972年2月14日（UTC时间03:27:59）发射，属于苏联的第三代无人月球探测器。是继月球16号之后第二个登上月球并将月球表面样品发回地球的无人探测器。月球20号于2月18日进入月球轨道，21日，经过变轨后的月球20号开始降落。降落后不久月球20号就开始采集月球表面样本。由于遇上了玄武岩，月球20号只采集到了55克的样本。

1972年2月14日，苏联成功地发射了月球20号，以完成月球18号未尽的任务，从月球上取回样品。月球20号首先被送入远地点238千米、近地点191千米、倾角51.5度的低地球轨道，经过短暂的飞行之后，开始4天半的旅程。2月15日进行了轨道修正。2月18日月球20号进行了制动，然后进入倾角65度、100千米高的环月球的圆轨道。2月19日，进行变轨，进入高度为21千米的月球轨道，并准备着陆。

2月21日，月球20号根据地面指令，启动主发动机并工作267秒，探测器降再次低轨道高度，在距离月面760米（比月球16号高160米）时，主发动机关机，2个小型发动机点火。在经过6分钟的下降后，月球20号安全着陆在3°32'N、56°33'E的地点，距离月球18号撞毁处约1.8千米，距离月球16号着陆处120千米。月球20号是在月球的白天降落的，而月球16号则是在月球夜晚降落的。着陆后，地面科学家迅速启动了月球20号的电视摄像机系统，寻找可能的钻取月球样品的地点。在选择并确定了钻采点后，钻臂和旋转钻头从它停放位置解锁，钻头下降到月面，这一过程大约持续了12分钟。月球20号的钻取设备与月球16号的非常相似。钻头旋转速度为500rpm，钻头可深钻100-150毫米，但由于遇到坚难（tough）的钻取备件，为防止钻头过热，保护电路，钻头自动停止了工作。在钻取工作完成后，取出样品，举起样品并放入位于月球20号顶端的返回舱内，在月壤和月岩放入舱内后，采用热封方式密封返回舱。

月球20号在月球表面一直停留到2月23日，这时携带返回舱的上升级点火升空，并迅速加速到2.7千米/秒，以返回地球。2月25日。大约在52000千米处，返回舱与推进系统分离，然后进入（以与地平线呈30度的角度）大气层。月球20号返回舱先后打开牵引伞和主伞，最后在苏联本土着陆。

苏联对取回的月球20号取回的月壤和月岩立刻开展了长期分析。西方对苏联取回的样品仍存在一些疑问，包括取样的深度与样品的重量，大多数的分析推测，苏联把给出的月球16号的取样深度和样品重量数据又用到了月球20号。直到1976年，报导了样品重量为50~100克，钻取深度为33厘米，也可能钻头遭遇了坚硬的月岩，没的按计划取回全（足够的）部样品。

月球20号取回的样品与月球16号的不同。月球20号的样品大多数为月岩颗粒，而月球16号取回的是basalt（玄武岩）。此外，月球20号的无线电测高仪还测量了月壤的密度。