В 1936 году был построен вариант бронемашины для движения по железной дороге. Эта модификация получившая обозначение БА-20жд, при боевой массе 2,78 т развивала на рельсах скорость 80 км/ч и имела запас хода 430-540 км. Экипаж БА-20жд состоял из трех человек.

Модернизированный вариант БА-20М появился в 1938 году и отличался от базовой машины новой башней конической формы, наличием дополнительного топливного бака и новой радиостанцией 71-ТК-3. Соответственно, вместо поручневой антенны была установлена штыревая. С экипажем из трех человек боевая масса БА-20М возросла до 2,52 т, что не лучшим образом отразилось на подвеске и проходимости бронеавтомобиля. Максимальная скорость перетяжеленной машины резко упала и составила всего 50 км/ч. Бронемашины БА-20 и БА-20М состояли на вооружении Красной Армии и принимали участие в боевых действиях на реке Халхин-Гол, на КВЖД, а затем на фронтах Великой Отечественной войны.

Летом 1941 года немецкие войска захватили около сотни бронеавтомобилей БА-20 и БА-20М. Трофейные машины попали в полицейские части и войска СС под обозначением ВА 20(г) и ВА 202 (г) соответственно. Бронемашины ВА 202(г) состояли на вооружении разных частей, в том числе 7-й горнострелковой добровольческой дивизии СС «Принц Ойген». Броневики БА-20жд приспособленные для движения по железнодорожным путям, немцы использовали в качестве разведывательных машин в составе некоторых бронепоездов действовавших на Восточном фронте.