1958年04月03日，公共汽车公司新辟20路（前门永定门火车站）。

1959年09月15日，为配合北京站竣工投入使用，公共汽车公司20路（前门永定门火车站）延长为北京站永定门火车站。

1963年01月，公共汽车公司20路（北京南站北京站）延长营业时间以满足火车站夜间乘客进出站的需求，夜班线命名为20路夜班车。

1983年12月06日，公交总公司20路（永定门火车站北京站）分为大站快车20路和慢车54路。

2010年01月26日，第一客运分公司24路、201路、379路、614路划转至第七客运分公司；8路、42路、60路划转至电车客运分公司；305路划转至新奥客运分公司。第二客运分公司20路、203路划转至第六客运分公司；300路内环划转至新奥客运分公司。第四客运分公司7路划转至第二客运分公司；10路、204路内环、204路外环、334路划转至第六客运分公司。第五客运分公司352路划转至第二客运分公司；359路划转至第七客运分公司；300路外环、378路、439路划转至新奥客运分公司。第六客运分公司631路、631路快车划转至第二客运分公司；356路、480路划转至第三客运分公司；58路、212路、311路、318路、327路、385路、396路、663路划转至双层客运分公司。第七客运分公司119路、125路、407路、426路划转至第一客运分公司；104路快车、110路、116路、515路、823路划转至电车客运分公司。电车客运分公司653路划转至第一客运分公司；410路、456路划转至第二客运分公司；411路划转至第五客运分公司。新奥客运分公司681路、699路、839路划转至第一客运分公司，477路、658路、694路、697路、717路划转至第三客运分公司；509路、518路划转至第四客运分公司；75路、635路、718路划转至第五客运分公司；64路、611路、612路划转至第六客运分公司；605路、682路、701路划转至第七客运分公司。专线客运分公司482路、498路、562路划转至第四客运分公司；457路、561路划转至第五客运分公司；802路划转至第六客运分公司；467路、660路、677路划转至第七客运分公司。双层客运分公司504路、679路划转至第二客运分公司；678路、692路划转至第三客运分公司；489路、746路划转至第四客运分公司；527路、728路划转至第六客运分公司；707路划转至第七客运分公司。

2015年05月26日，第一客运分公司13路、21路、24路、62路、65路、119路、120路、125路、301路、569路、快速公交3线|BRT3、快速公交3线区间|BRT3区间、专22路划转至电车客运分公司；132路划转至第八客运分公司；659路划转至第七客运分公司；328路划转至第四客运分公司。第二客运分公司2路、5路、7路、12路、14路、17路、19路、25路、36路、39路、56路、59路、69路、70路、71路、525路、603路、685路、快速公交1线|BRT1、专26路、专56路划转至电车客运分公司；66路、511路、556路、夜12路划转至第三客运分公司；夜15路划转至第六客运分公司。第三客运分公司523路、623路、736路、741路、专96路划转至第二客运分公司；318路、327路、385路、396路、472路、473路、663路、特6路、特10路、特19路、专91路、专108路、专109路、专110路、融景城便民班车划转至第六客运分公司；469路、505路、508路、539路、579路、特4路、特5路划转至第四客运分公司。第四客运分公司15路、16路、26路、45路、46路、47路划转至电车客运分公司；专13路划转至第二客运分公司；395路划转至第三客运分公司。第五客运分公司9路、43路、75路、95路、635路、快速公交2线|BRT2、快速公交2线区间|BRT2区间划转至电车客运分公司；421路划转至第八客运分公司；639路划转至第七客运分公司。第六客运分公司10路、20路、夜17路划转至电车客运分公司；63路、83路、309路、310路、313路、321路、321路区间、323路、338路、351路、354路、451路、477路、480路、661路、692路、专27路划转至第三客运分公司。第七客运分公司特12路内环、特12路外环、夜20路划转至电车客运分公司；467路、660路、677路、专112路、专116路划转至第八客运分公司；54路、684路划转至第二客运分公司；549路、608路划转至第四客运分公司；8路、674路划转至第五客运分公司；689路划转至第一客运分公司。第八客运分公司44路内环、44路外环划转至电车客运分公司；378路、602路划转至第二客运分公司；645路划转至第六客运分公司；特16路划转至第七客运分公司；72路划转至第三客运分公司；630路、696路、698路、714路划转至第四客运分公司；466路划转至第一客运分公司。电车客运分公司359路、418路、夜10路划转至第七客运分公司；423路划转至第三客运分公司。同日起原有的两家分公司联营的夜班线路全部取消联营，由一家分公司独立运营，第二客运分公司与电车客运分公司联营的夜2路由电车客运分公司运营；第四客运分公司与第五客运分公司联营的夜3路由第四客运分公司运营；第三客运分公司与第六客运分公司联营的夜5路由第六客运分公司运营；第一客运分公司与第五客运分公司联营的夜6路由第五客运分公司运营；第三客运分公司与第六客运分公司联营的夜7路由第三客运分公司运营；第四客运分公司与第五客运分公司联营的夜13路由第五客运分公司运营；第一客运分公司与第三客运分公司联营的夜14路、夜18路由第一客运分公司运营；第四客运分公司与第六客运分公司联营的夜21路由电车客运分公司运营；第一客运分公司与第二客运分公司联营的夜24路由电车客运分公司运营；第一客运分公司与第五客运分公司联营的夜34路由第五客运分公司运营；第一客运分公司与第六客运分公司联营的夜36路由第三客运分公司运营。

2024年08月18日，为优化整合地面公交运力资源，削减天桥南大街、前门东大街等地面公交重复并行路段，电车客运分公司20路（北京南站北京站东）、专2路（北京站东天坛体育场）合并为20路（北京南站北京站东）。