В октябре 1932 года в группе писателей и журналистов, возглавляемой М. Е. Кольцовым, в день 40-летнего юбилея литературной деятельности Максима Горького родилась идея построить агитсамолёт, назвав его в честь писателя «Максим Горький». Был создан Всесоюзный комитет по строительству самолёта, по всей стране начался сбор денег на постройку, давший в короткий срок около 6 млн рублей. Комитет организовал в своём составе Технический совет под председательством начальника ЦАГИ Н. М. Харламова, которому поручил определить облик будущего самолёта и разработать технические требования, исходя из основных назначений самолёта.

В работах Технического совета приняли участие институты: ЦАГИ, ЦИАМ, полиграфической промышленности, научно-исследовательский институт ВВС, Фотокиноинститут и ряд отдельных инженеров и конструкторов: В. М. Петляков, А. А. Архангельский, Б. М. Кондорский (общие виды), В. Н. Беляев (расчёты прочности), Б. А. Саукке (ведущий инженер),Погосский Евгений Иванович, Енгибарян Амик Аветович (оборудование), Н. С. Некрасов и другие. Возглавлял работу А. Н. Туполев.

Для наблюдения за постройкой и передачей заказа на различное оборудование при Комитете была организована Строительная комиссия под председательством А. Н. Горянова. 10 марта 1933 года Строительная комиссия заключила с ЦАГИ договор на постройку самолёта «Максим Горький». К 1931 году конструктор А. Н. Туполев, успешно запустив в массовое производство бомбардировщик ТБ-3, занимался дальнейшей разработкой сверхтяжёлых гигантов — «летающих крепостей». Был создан эскизный проект пассажирского варианта бомбардировщика ТБ-4, названный АНТ-16.

В апреле 1933 года рассмотрен эскизный проект самолёта, где предусматривалась возможность использования самолёта в качестве агитационного, пассажирского, транспортного, бомбовоза; он мог служить передвижным штабом для высших военных и политических структур власти.

АНТ-20 отличался от ТБ-4 (АНТ-16) только размерами и должен был нести на 1500 кг большую полезную нагрузку, а также эксплуатироваться с относительно небольших аэродромов. Длина разбега при взлёте должна была составлять всего 300—400 м (вместо 800 м у ТБ-4). В связи с этим было спроектировано новое крыло, имевшее бо́льшие площадь и удлинение, чем крыло ТБ-4. Почти вся поверхность была гофрирована.

Силовая установка состояла из восьми двигателей М-34ФРН по 900 л. с. каждый (общая мощность 7200 л. с.). Шесть двигателей располагались на двух консолях крыла, два — в тандемной установке над фюзеляжем. Винты деревянные, диаметром 4 м. Изначально предполагалось установить шесть двигателей, но их мощности оказалось недостаточно.

Площадь внутренних помещений — 100 кв. м., где могли разместиться до 70 пассажиров. В крыльях расположены двухъярусные кровати для отдыха. Самолёт оборудован лестницей, которая, сворачиваясь, становилась частью пола. Размеры самолёта позволяли разместить пассажиров не только в фюзеляже, но и в центральной части крыла. В крыле были сделаны проходы для доступа к двигателям в случае необходимости устранения неисправностей. Посадка в самолёт производилась через встроенный трап в нижней части фюзеляжа.

Особое внимание уделялось интерьеру и комфорту на борту. В салоне были установлены просторные кресла, на полу лежали ковры, иллюминаторы были закрыты занавесками, а перед креслами установили столики с настольными лампами. Также имелись спальные каюты, библиотека, багажное отделение, умывальники, туалеты и буфет с холодными и горячими закусками.

Стабилизатор перекладной, изменение угла осуществлялось через мощный привод работающий от электромоторов.

Впервые для тяжёлого самолёта применена электродистанционная система управления. Пилотажно-навигационное оборудование самолёта обеспечивало его эксплуатацию днём и ночью, в том числе ночные посадки на неподготовленной местности. Имелся автопилот. На борту находились разнообразные средства агитации, в том числе громкоговорящая радиоустановка «Голос с неба», радиопередатчики, киноустановка, фотолаборатория, типография, библиотека и др. Самолёт был оснащён пневматической почтой, позволяющей экипажу обмениваться записками между собой и с журналистами-агитаторами, находящимися на борту.

На самолёте впервые в отечественной (и, возможно, мировой) практике применена система электроснабжения переменного тока 120 В, 50 Гц. Бортовая электростанция состоит из двух бензиновых двигателей (каждый с номинальной частотой вращения 3000 об./мин) и четырёх генераторов — двух генераторов постоянного напряжения 27 В мощностью 3 кВт и 5,8 кВт; двух генераторов переменного тока мощностью 3 и 5,5 кВт.

При необходимости самолёт мог быть разобран и транспортирован железной дорогой.