但当年中航一集团旗下的西飞被选定为项目主研制方，西飞有丰富的飞机制造能力，除了生产轰-6远程轰炸、运-7涡桨运输机、轰-7A攻击机外，还是中国商飞、空中客车、波音、ATR、庞巴迪的零件供应商，中航一集团设计的大型军用运输机机头酷似伊尔-76、机翼和尾部酷似C-17，2007年首次披露的一些非正式参数是尺寸上与伊尔-76大体相当，但最大起飞重量220吨，载重量66吨，飞机长度和翼展为49米，机翼面积310平方米，由于项目规模较大，陕飞、成飞以及1000多家科技和工业企业参加运-20项目，中航一集团和中航二集团也在2008年合二为一。
2009年，中航工业再次改组把陕飞和西飞并入中航工业飞机公司，作为集团下属6家企业和第一飞机设计研究院)的核心单位，主要任务是制造运-20运输机，西飞也邀请安东诺夫参与项目，提供协助分析飞机结构的咨询服务，安东诺夫公司设计了机身尾部和装卸台，2008年，汶川大地震中军用运输机的工作效率受到好评，这加快了运-20运输机的研制，飞机全尺寸机头模型在同年制成，2009年陕飞开始组装第一架原型机机尾，2010年初静力试验机体建造完成，编号20-001的第一架原型机机体在2012年1月制成，在2012年年底运抵阎良机场，12月21日开始首次滑行，12月25日美国卫星拍摄到了停在机坪上的运-20原型机，美国人估计运-20原型机翼展50米，略小于美国C-17运输机，货舱宽度和高度尺寸相当，发动机估计是俄罗斯伊尔-76TD和伊尔-76MD运输机使用的D-30KP-2。
2013年1月26日上午，整流罩和垂直尾翼涂有中国国旗和20001编号的运-20原型机再次滑行测试，近中午时分一架运送空军高层的专机抵达，13时38分，运-20原型机再次启动发动机滑向跑道开始滑行，14时00分腾空而起，完成航线飞行后开始着陆，着陆之前在观众礼上摇晃机翼，迎来雷鸣般的掌声喝彩声，中国媒体争相报道，各种官方纪念品到处都是，2月3日，航工业授予总设计师唐长红荣誉称号和一笔丰厚的奖金，2013年3月2日，运-20原型机已经换上灰黑色涂装，机身编号从机身移到垂直安定面处，2013年4月17日和18日再次完成滑行测试，，4月20日和4月21日继续试飞之后停顿到7月3日才进行第四次试飞，这表明飞机遇到了某些问题需要调整结构和系统。