На АНТ-20 установили восемь моторов М-34ФРН конструкции Микулина, каждый мощностью по 900 л.с. Конструкторы посчитали, что для такого могучего самолета шести 900-сильных двигателей будет недостаточно. По три мотора разместили на каждом крыле, а седьмой и восьмой установили на одной оси наверху фюзеляжа, причем один - в толкающем варианте. Самолет назвали "Максим Горький". Огромная высота сечения крыла, необходимая для создания подъемной силы относительно низкоскоростного для таких габаритов и веса самолета, обеспечивала бортинженеру прямо в полете доступ стоя(!) ко всем шести двигателям, установленным на крыльях. Большие двухлопастные пропеллеры имели диаметр четыре метра. АНТ-20 был первым самолетом конструкции Туполева, который оборудовался автопилотом. Отметим, что и в мировой практике эта машина была в числе первых конструкций с автопилотом, позволявшим осуществлять управление в полете по курсу, высоте, углам тангажа и рысканья.

Первый полет АНТ-20 состоялся 17 июня 1934 года. В этот день с Ходынского поля в Москве машину поднял в воздух Михаил Громов. В отличие от ТБ-4, АНТ-20 показал в полете высокую устойчивость и легкость управления. К августу программа летных испытаний была полностью выполнена, причем никаких изменений в конструкции не потребовалось.

18 августа 1934 года самолет был включен в состав агитэскадрильи имени Максима Горького. С этого дня и берет начало долгая история многочисленных полетов АНТ-20 по большим и малым городам Советского Союза. С помощью установленных на борту громкоговорителей с самолета читали лозунги, прославляющие цели и достижения коммунизма, здравицы в адрес Сталина, транслировали с воздуха музыку и информационные сообщения. Такого рода мероприятия называли "Голос с неба". Во время стоянок с помощью имевшейся на борту кинопередвижки организовывали кинопросмотры, на которые приглашалась наиболее видная местная публика. Во время сеансов люди рассаживались на скамьях перед большим экраном. Бортовая типография печатала агитационные листовки, которые затем разбрасывали с воздуха. В фотолаборатории быстро обрабатывали отснятые пленки и печатали фотографии, которые тут же можно было использовать в листовках. Сообщения из одного отсека самолета в другой передавались при помощи пневматической почты. Наконец, на борту имелся собственный телефонный коммутатор на шестнадцать номеров. Для питания всего этого пропагандистского хозяйства был предусмотрен электрогенератор с автономным приводным двигателем.

За счет большого количества оборудования и колоссальных размеров самого самолета взлетный вес машины достигал огромного по тем временам значения - сорок две тонны, и это было значительно выше стандартного максимального взлетного веса АНТ-16, который составлял тридцать две тонны. Повсюду, где совершал посадки "Максим Горький", он привлекал огромное внимание и тем самым помогал агитэскадрилье решать пропагандистские задачи.

18 мая 1935 года в судьбу самолета вмешался злой рок. Во время полета в строю с Центрального аэродрома на Ходынке в Москве "Максим Горький" столкнулся с истребителем И-5 конструкции Поликарпова, которым управлял Н.П.Благин, летчик-испытатель ЦАГИ. К моменту столкновения строй уже совершил два крута над Москвой и заходил на третий. В это время Благин начал выполнять вблизи гигантского самолета фигуры высшего пилотажа и пытался, по всей видимости, закрутить спираль вокруг АНТ-20. На кинопленке, отснятой с соседнего самолета, видно, что Благину удалось сделать два оборота, после чего И-5 потерял скорость и ударил АНТ-20 в хвостовую часть фюзеляжа. В отчетах об этом происшествии ошибочно указывалось, что истребитель ударил АНТ-20 в крыло.

Некоторое время "Максим Горький" продолжает лететь, но внезапно отделяется крыло и вот уже весь самолет начинает разрушаться в воздухе... Переламывается фюзеляж... Обломки самолета рухнули на землю в районе поселка Сокол, который сейчас является одним из районов Москвы. На борту находилось сорок пять человек: два пилота-инспектора, десять членов экипажа и тридцать три пассажира, в том числе, шестеро детей... Все они погибли. Разбился и летчик Благин. Торжественные похороны погибших состоялись на Новодевичьем кладбище в Москве.

По поводу случившейся катастрофы ходило немало противоречивых слухов. Утверждали, например, что Благин за день до полета написал, якобы, письмо, в котором сообщал, что намерен таранить самолет "Максим Горький" в знак протеста против коммунистического режима в Советском Союзе. Письмо, опубликованное польской газетой "Меч", перепечатала затем газета русских эмигрантов "Возрождение", издававшаяся в Париже. Коллеги Благина по ЦАГИ усомнились в достоверности этой публикации: Благин был высокопрофессиональным авиатором, ведущим летчиком-испытателем ЦАГИ и КБ Туполева. Как бы то ни было, выполнение Благиным фигур высшего пилотажа в непосредственной близости от пассажирского самолета являлось грубым нарушением правил полетов. Ходили, например, слухи, что Благину было приказано выполнить облет АНТ-20, чтобы поразить москвичей. Кто бы ни отдал такое приказание (если оно и существовало в действительности), этого человека теперь не найти.

На кладбище Новодевичьего монастыря в Москве традиционно хоронили выдающихся деятелей страны, героев. Естественно, что окружение Сталина обратило внимание вождя на появившиеся слухи. Сделал это не кто иной, как будущий руководитель СССР Н.С.Хрущев, который возглавлял комиссию по расследованию причин катастрофы. Вопрос состоял в том, где похоронить Благина. Говорили, что Сталин не сразу принял решение хоронить погибшего летчика-испытателя вместе с остальными.

Тем не менее, поскольку "Максим Горький" все же доказал свою летную пригодность, решено было начать постройку второго самолета. На этот раз работу возглавил В.М.Петляков. (S.N.Morozoff: замечу, что на постройку этой машины тоже собирались деньги под лозунгом: "Максим Горький" должен быть восстановлен!") Новую машину заложили на 22-м авиазаводе в Казани. К этому времени конструктор Микулин завершил разработку нового двигателя АМ-35 мощностью 1 200 л.с., и решено было на втором АНТ-20 установить шесть таких моторов (по три на каждой плоскости) вместо восьми АМ-34, а два двигателя в тандемном расположении над фюзеляжем не устанавливать. Новый самолет не стали превращать в агитационный и передали для эксплуатации в отряд "Аэрофлота", базировавшийся на Ходынском поле, где находился Центральный московский аэродром. Самолету присваивают наименование ПС-124 и бортовой номер "СССР-Л760". С 1937 по 1941 год он используется на одной из самых загруженных воздушных линий Москва - Минводы. Пассажировместимость самолета - 64 человека. Вскоре после начала войны машину приписали к другому подразделению "Аэрофлота" - управлению Гражданского воздушного флота в Узбекистане, и здесь он летает по маршрутам Ташкент - Чарджоу - Ургенч и Ташкент - Куйбышев (ныне Самара).

История второго самолета обрывается 14 декабря 1942 года. Утром этого дня он вылетел из Чарджоу в Ташкент, на борту находилось двадцать шесть пассажиров и десять членов экипажа. Через два часа десять минут полетного времени примерно в пятидесяти километрах от аэропорта назначения самолет начинает терять высоту. По словам очевидцев, высота полета не превышала 500 метров. Несмотря на то что все двигатели продолжали работать, машина свалилась в крутое пике и врезалась в землю под углом примерно 80 градусов. При падении самолет полностью разрушился, все пассажиры и члены экипажа погибли. В ходе расследования причин катастрофы удалось установить, что в момент падения пилота за штурвалом не было. По всей видимости, летчик передал управление одному из пассажиров, который отключил автопилот и потерял управление машиной. Так завершилась история замечательного самолета АНТ-20, история загадочная, если учесть необычность обстоятельств, при которых перестали существовать единственные два экземпляра этого крупнейшего в мире самолета.

На Казанском авиазаводе для нужд "Аэрофлота" планировалось построить восемнадцать ПС-124, но сталинские репрессии в конце 30-х годов привели к тому, что специалистов для постройки новых машин фактически не оказалось.