В 1957 - 58 гг. на Ту-95К исследовалась возможность поиска и уничтожения мобильных корабельных соединений. В ходе полетов над Баренцевым морем экипажам удавалось с помощью РЛС обнаруживать группы кораблей с расстояния 400-450 км. Обнадеживающий результат позволил сделать вывод о пригодности комплекса для борьбы с АУГ По инициативе ОКБ и ВВС летом 1960 года были организованы пуски Х-20 по корабельным целям.
Американскую АУГ изображали два крейсера, пять эсминцев и два сторожевика из состава Северного флота. Для реализации обстановки группа рассредоточивалась в море, имитируя корабельный ордер, начавший маневрирование при угрозе ядерного удара, занимая 22 км по фронту и 10 км в глубину. Атаковать их предстояло шести Ту-95К.
Поиск целей затрудняло волнение моря, дававшее блики и мерцание на экранах РЛС, автосопровождение срывалось, и вести цели приходилось вручную. Тем не менее операторам удавалось выделить в составе группы отдельные цели. Пуски выполнялись с высот 10-12 км на удалении 350-360 км от кораблей. Чтобы избежать попадания в корабли, на борту которых находился штатный экипаж, в аппаратуру ракет ввели поправку на 15 км перелет цели. Только в одном из трех пусков в августе 1960 года система сработала без замечаний, ракета на-велась на цель и была подорвана с отклонением влево 8,5 км и перелетом 4 км от центра корабельного ордера. Еще два пуска не удались из-за отказа линии управления, из-за чего ракета ушла с перелетом 300 км и была подорвана по радиокоманде, а также по причине выхода из строя самолетной РЛС.
В последующих стрельбах нарекания вызвала недостаточная надежность аппаратуры комплекса. По вине дефектов оборудования самолетов и ракет были сорваны два из трех пусков по морским целям, проведенных в декабре 1960 года. Ракеты и системы носителя подверглись доработкам для повышения безотказности до приемлемого уровня.
Тем не менее опыт был признан полезным. Мощность БЧ позволяла надеяться на потопление ближайших целей и при километровых промахах, а на прочих кораблях взрывом выводились из строя экипаж, радиотехнические системы, средства связи и управления, после чего разгром ослабленной группировки довершали ракетоносцы Ту-16, подлодки и корабли флота. Эксплуатация К-20 в строевых частях ВВС началась в августе 1959 года, когда первые ракетоносцы поступили в 1006-й ТБАП в Узине под Киевом. К концу года Ту-95К получили 1226-й ТБАП в Семипалатинске, а затем и 182-й гв.ТБАП в Моздоке. 14 февраля 1963 года в Узин прибыл первый Ту-95КМ. Узинские самолеты в июле 1961 года были привлечены к участию в воздушном параде в Тушино. 16 ракетоносцев зримым воплощением мощи ВВС прошли над аэродромом, неся Х-20М, выкрашенные в броский красный цвет. Хотя показ и был публичным, присутствовавшие на нем западные наблюдатели сумели ввести себя в заблуждение, сочтя прикрывавшие воздухозаборники ракет обтекатели за их головки самонаведения, из-за чего на протяжении ряда лет утвердилось мнение, что Х-20М управляются радиолокационной или, на худой конец, инер-циальной системой. Сами ракеты считались созданными на базе МиГ-19, а «наиболее продвинутые» эксперты объявляли их «беспилотным вариантом Су-7».
