Гаубица-пушка МЛ-20 разрабатывалась в инициативном порядке конструкторами Мотовилихского завода во главе с Ф.Ф. Петровым. Параллельно с ней велись работы над МЛ-15, на создание которой имелось задание ГАУ. Ф.Ф. Петров применял в конструкции МЛ-20 лучшие детали уже освоенной заводом гаубицы обр. 1910/34 г., исправив при этом ее недостатки за счет кардинальной модернизации лафета.

Благодаря конструкции лафета, обеспечивающий углы горизонтального и вертикального наведения 65 и 58 градусов соответственно, а также наличию 13 различных типов зарядов, гаубица-пушка МЛ-20 является орудием с уникальными возможностями маневра огнем.

Орудия класса «гаубица-пушка» имеют по-гаубичному большой угол вертикальный наводки и высокую начальную скорость снаряда, как у пушки. Прямые попадания 152-мм снаряда пробивали броню любого танка, а при попадании в башню ее срывало с погон, иногда отбрасывая на значительные расстояния.