Официальное решение о принятии системы Х-20 было принято 9 сентября 1960 г., но уже в 1959 г. первые Ту-95К стали поступать в авиационный полк в Узине на Украине.

На стадии летных испытаний X-20, а затем и Х-20М изготавливались силами опытного производства московского ОКБ Микояна и завода в районе Дубны. Однако этот завод рассматривался, в первую очередь, как производственная база для создания более совершенных самолетов-снарядов Х-22, а серийное производство Х-20М предполагалось организовать на заводе в Филях. Когда этот завод отошел от Мясищева к В.Н. Челомею, уже успевшему отличиться безграничностью своего аппетита в части поглощения «плохо лежащих» ОКБ и заводов, руководство Госкомитета по авиационной промышленности сочло за благо передать серийное производство самолета-снаряда X-20М на завод в Таганроге.

Основные характеристики системы в целом соответствовали требованиям, выдвинутым правительством в марте 1954 г., но для 1960 г. были уже невпечатляющими. Прежде всего, явно недостаточной представлялась дальность действия системы. С аэродромов Кольского полуострова Нью-Йорк достигался только по кратчайшему и, следовательно, более чем предсказуемому маршруту, а Вашингтон был на пределе досягаемости.

Для боевого вылета самолеты нужно было предварительно перебазировать с Украины и Северного Кавказа в район Мурманска, из Семипалатинска — в Анадырь. С Дальнего Востока на предельной дальности можно было достигнуть объекты как на Тихоокеанском побережье США, так и в районе Великих озер.

Поэтому еще 2 июля 1958 г. перед ОКБ Туполева была поставлена задача увеличения дальности за счет оснащения самолетов Ту-95К системой дозаправки в воздухе. Позднее, 20 мая 1960 г. эти работы были конкретизированы применительно к системе «Конус» (т. е. схеме «шланг-конус»). Соответствующие испытания завершили к началу 1962 г. Самолеты-носители получили обозначение Ту-95КД.

Постепенно менялись и взгляды на основное назначение системы. Успешные испытания первой межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, ускоренная отработка основных элементов предназначенных для массового развертывания Р-16 и Р-9А свидетельствовали о том, что реальным средством поражения стационарных целей на Североамериканском континенте станут баллистические ракеты. С другой стороны, к началу 60-х годов в США завершилась разработка зенитно-ракетных комплексов зональной обороны «Бомарк» с ракетой CIM-10A с дальностью 420 км, а затем и «Супер Бомарк», оснащенного ракетой CIM-10В с дальностью 710 км. В 1957—1960 гг. были построены четыре стартовых позиции в штатах Мен, Массачусетс, Нью-Йорк и Нью-Джерси, а в начале шестидесятых еще три в Минессоте, Мичигане и Нью-Йорке, а также две в Канаде — в Квебеке и Онтарио, На каждой базе размещалось 28 или 56 зенитных ракет. Применение командного наведения в сочетании с активным радиолокационным самонаведением обеспечивало поражение целей в зоне площадью до 250 000 км².

Х-20М в момент отцепки от самолета-носителя Ту-95КД

С учетом необходимости сближения Ту-95К с целью на расстояние менее 350 км нанесение ударов ракетами X-20М по важнейшим объектам США становилось более, чем проблематичным.

Состояние же начатых отечественных и зарубежных работ по противоракетной обороне указывало на нереальность создания эффективной защиты от массированного удара баллистических ракет, во всяком случае в ближайшие годы.

Кроме того, система К-20 оказалась дороже баллистической ракеты.

По стоимости серийный самолет-снаряд, как и следовало ожидать, примерно соответствовал новейшим истребителя того времени - МиГ-21, Су-7 и Су-9, однако был на порядок дороже КС. В свою очередь Ту-95К стоил в шесть раз дороже Х-20М. В сумме носитель и самолет-снаряд по стоимости превышали на 40% огромную ракету Р-7А.

Поскольку ракета Х-20М стоила относительно дорого, задача создания на ее базе мишени М-20, поставленная Правительством 23 ноября 1956 г., потеряла актуальность — вместо этого в производство пошла мишень КРМ на базе КСР-2.

По мере совершенствования американской ПВО и советских баллистических ракет в качестве основного объекта поражения для системы К-20 стали рассматриваться авианосные ударные группы флота США.

Еще в начале 1958 г. руководители ВВС и Госкомитета по авиационной технике К.А. Вершинин и П.В. Дементьев обратились к секретарю ЦК КПСС Д.Ф. Устинову с предложением провести в III кв. 1959 г. два-три пуска по ордеру боевых кораблей. При этом они опирались на выполненные в 1957 г. и начале 1958 г. полеты опытного Ту-95К в направлении маневрирующего ордера надводных кораблей в составе двух легких крейсеров, пяти эсминцев и одного транспорта. По результатам испытаний была получена дальность обнаружения ордера и захвата цели на ручное сопровождение — 400 км при высоте полета Ту-95К 11000 м. Этот показатель увеличивался еще на 50 км при полете самолета на высоте 12000 м.

Экспериментальные пуски Х-20М по ордеру кораблей, предусмотренные правительственными документами от 20 мая и 9 сентября 1960  г., были проведены с 15 августа по 10 октября с привлечением 6 самолетов  Ту-95К. Ордер кораблей по составу соответствовал испытаниям 1957— 1958 гг. с тем отличием, что взамен одного транспорта в него включили два сторожевика. Расположение кораблей соответствовало авианосной ударной группе США в начале рассредоточивания при угрозе применения ядерного оружия — ордер имел  ширину по фронту 22 км и глубину 10 км.

Так как с учетом недавней катастрофы Ту-95М в это время действовали ограничения по режимам работы двигателей НК-12МВ, поиск целей и пуски проводились при полетах на высотах не более 10000 м что обеспечивало дальность обнаружения 400 км. Автоматическое сопровождение не удалось осуществить из-за мерцания отметок целей при волнении на море, но ручное сопровождение было вполне устойчивым. Разрешающая способность РЛС ЯД обеспечивала выделение отдельных кораблей в составе ордера.